Brevet FR3002683A1 — publié le 20140829

CONVERTISSEUR DE PUISSANCE COMPORTANT UNE ARCHITECTURE DE BRAS NON-ALIGNES DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention se rapporte au domaine des convertisseurs de forte puissance, et notamment à l'architecture des redresseurs de forte puissance dans l'électrolyse, en particulier pour l'électrolyse de l'aluminium. L'invention concerne plus particulièrement un convertisseur de puissance comportant des bras non-alignés et un circuit convertisseur de forte puissance comportant un tel convertisseur de puissance. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Dans le domaine de l'électronique de puissance, les convertisseurs de forte puissance pour l'électrolyse sont typiquement des redresseurs qui 20 assurent directement la conversion d'une source de courant alternatif en une source de courant continu. De tels redresseurs peuvent présenter une forte puissance de l'ordre d'une centaine de méga Voltampères (MVA) et délivrer des courants électriques 25 allant par exemple jusqu'à 110 kA. Ces redresseurs peuvent être de technologie à diodes, encore appelés redresseurs non contrôlés, ou de technologie à thyristors, encore appelés redresseurs contrôlés. Ces redresseurs peuvent notamment permettre 30 la production d'aluminium par un processus de réduction électrolytique, voire encore la production de métaux non ferreux comme le zinc, le cuivre ou le chlore. Ces redresseurs peuvent également être utilisés pour alimenter autre chose que des cuves d'électrolyse, notamment pour d'autres procédés électro-intensifs nécessitant des alimentations continues de forte puissance, par exemple des fours électriques à arc ou des générateurs de plasma. La figure 1 représente un schéma électrique simplifié d'un circuit convertisseur 10 que l'on retrouve classiquement dans une installation d'usine d'électrolyse pour permettre l'alimentation en courant électrique de cuves d'électrolyse. L'alimentation en courant électrique est constituée d'une mise en parallèle de plusieurs alimentations décrites ci-après, appelées communément « groupes ». Le circuit redresseur 10 reçoit un courant alternatif depuis le réseau d'électricité R haute tension alternatif triphasé. Le circuit redresseur 10 comporte, à partir du réseau alternatif triphasé R, un premier groupe 1 comportant un transformateur de réglage triphasé (connu sous l'acronyme d'OLTC pour « on line tap changer » en anglais) permettant d'ajuster la tension du réseau à une tension intermédiaire, un deuxième groupe 2 comportant un transformateur redresseur triphasé permettant d'ajuster la tension intermédiaire à la tension hors charge adéquate dépendante de la valeur de la tension de la charge et de délivrer les fortes intensités de courant nécessaires au procédé d'électrolyse, un troisième groupe 3 comportant un redresseur à diodes ou à thyristors permettant de délivrer le courant électrique et la tension redressée à la charge, et un quatrième groupe 4 comportant un jeu de barres de puissance permettant la mise en parallèle des différents groupes et l'alimentation en courant continu d'une installation d'électrolyse ou série d'électrolyse ou tout autre dispositif adéquat. La figure 2 représente un schéma électrique simplifié de type pont de Graëtz qui détaille l'agencement d'un redresseur dodécaphasé du troisième groupe 3 auquel est relié un transformateur redresseur du deuxième groupe 2. Comme on peut le voir sur cette figure 2, les trois phases U,8,, Vo, W,8, d'un premier secondaire alimentent un pont redresseur de polarité positive P+ à six groupes (ou bras) équipés de fusibles et semi-conducteurs et les trois phases Uy, Vy, Wy d'un deuxième secondaire du transformateur redresseur alimentent un pont redresseur de polarité négative P- à six groupes (ou bras) équipés de fusibles et semi- conducteurs du redresseur, les deux ponts redresseur P+ et P- étant montés en parallèle. Chaque pont redresseur est du type pont de Graëtz. Par ailleurs, chacun des six bras U,8,+, Uy+, Vy+, Wy+ du pont redresseur de polarité positive P+ et des six bras U,8,, Vy-, WY- du pont redresseur de polarité négative P- est constitué d'une mise en parallèle de n diodes ou thyristors permettant d'atteindre un calibre en courant souhaité pour le redresseur (zone A de la figure 2). Comme on peut le voir sur cette zone A, chaque diode 5 (ou thyristor) des n diodes (ou thyristors) est montée en série avec un fusible 6 permettant d'éliminer un défaut éventuel et autorisant un fonctionnement continu en cas de défaillance d'une diode ou thyristor. Le fonctionnement à forte puissance du redresseur entraîne d'importantes contraintes en termes d'équilibrage en courant des bras des ponts redresseur. En effet, pour faire face à une augmentation de la valeur de la tension redressée atteignant typiquement des valeurs de l'ordre de 2200 Vdc, il est nécessaire d'augmenter le nombre n de composants (diodes ou thyristors et fusibles) mis en parallèle. Par exemple, pour un redresseur du type 2200 Vdc/100 kA, il faut prévoir entre 18 et 20 composants en parallèle par bras, ce nombre étant fonction du type de composant et de la sévérité des conditions de fonctionnement. La mise en parallèle d'un nombre croissant de composants entraîne des problèmes d'équilibrage en courant entre les composants d'un bras. Le dimensionnement, donc notamment le nombre et l'encombrement, de l'ensemble des composants du redresseur se faisant par rapport au composant le plus déséquilibré en courant dans un bras, il est nécessaire de pouvoir minimiser le déséquilibre en courant de celui-ci. EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention a pour but de remédier au moins partiellement aux besoins et aux inconvénients mentionnés ci-dessus. L'invention a notamment pour but d'empêcher, ou au moins de minimiser, le déséquilibre 30 en courant entre des composants d'un convertisseur de forte puissance grâce à une architecture de bras non alignés dans un même plan. L'invention a ainsi pour objet, selon l'un de ses aspects, un convertisseur de puissance, 5 notamment un redresseur, comportant : - un pont convertisseur positif destiné à être relié aux phases d'un premier secondaire et aux phases d'un deuxième secondaire d'un transformateur, - un pont convertisseur négatif destiné à 10 être relié aux phases du premier secondaire et aux phases du deuxième secondaire du transformateur, le pont convertisseur positif et le pont convertisseur négatif étant du type pont de Graëtz et étant montés en parallèle, 15 chaque pont convertisseur comportant une première série de bras de composants reliés aux phases du premier secondaire du transformateur et une deuxième série de bras de composants reliés aux phases du deuxième secondaire du transformateur, 20 caractérisé en ce qu'au moins une série de bras de composants comporte des bras disposés les uns par rapport aux autres de sorte à être non-alignés dans un même plan. Grâce à l'invention, il est possible de 25 réduire le déséquilibre en courant entre des composants d'un même bras d'un convertisseur de puissance. Le dimensionnement étant réalisé en partie par rapport au composant le plus déséquilibré en courant dans un bras, l'invention peut ainsi permettre d'améliorer 30 significativement le dimensionnement des convertisseurs de puissance, et notamment des redresseurs à forte puissance. En outre, le fait d'avoir une architecture non-alignée des bras d'au moins une série de bras de composants peut permettre de réduire l'entraxe entre les bras et d'avoir une architecture plus compacte. De la sorte, l'invention peut permettre d'obtenir un gain en termes d'encombrement et de transport. Le convertisseur de puissance selon l'invention peut en outre comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes prises isolément ou suivant toutes combinaisons techniques possibles. Le convertisseur de puissance peut être un redresseur de forte puissance pour l'électrolyse, notamment l'électrolyse de l'aluminium. Le convertisseur peut être dodécaphasé. 15 Chaque pont convertisseur peut comporter six bras de composants semi-conducteurs et fusibles. En particulier, chaque pont convertisseur peut ainsi comporter une première série de trois bras reliés aux phases du premier secondaire du transformateur et une 20 deuxième série de trois bras reliés aux phases du deuxième secondaire du transformateur. Les bras de ladite au moins une série de bras de composants peuvent définir, lorsqu'observés en coupe transversale, les sommets d'un polygone. Par 25 exemple, lorsque ladite au moins une série de bras de composants comporte trois bras, les trois bras peuvent définir les trois sommets d'un triangle. Au moins une première partie des bras de ladite au moins une série de bras de composants peut 30 comporter des bras alignés dans un premier plan et au moins une deuxième partie des bras de ladite au moins une série de bras de composants peut comporter des bras alignés dans un deuxième plan, les premier et deuxième plans étant sécants. La valeur maximale du déséquilibre en courant dans un bras donné du pont convertisseur positif et/ou du pont convertisseur négatif peut être inférieure ou égale à 15 %, mieux 11 %, ou du moins réduite de 5 % par rapport aux solutions de l'art antérieur, cette valeur maximale (climax) étant déterminée par la formule suivante : dImax =100 x Imax d' un composant dans le bras - Imoyen de tous les composants dans le bras Imoyen de tous les composants dans le bras Chaque bras du pont convertisseur positif et/ou du pont convertisseur négatif peut être constitué par une mise en parallèle de plusieurs diodes et/ou thyristors. Chaque diode ou thyristor peut être monté en série avec un fusible. Ainsi, chaque bras du pont convertisseur positif et/ou du pont convertisseur négatif peut comporter n fusibles associés à n diodes ou thyristors montés en parallèle. La distance qui sépare deux bras consécutifs de ladite au moins une série de bras de composants peut être supérieure à la distance qui séparerait ces deux bras consécutifs dans toute configuration où les bras de ladite au moins une série de bras de composants seraient disposés les uns par rapport aux autres de sorte à être alignés dans un même plan. La distance qui sépare un premier bras d'un troisième bras, les premier et troisième bras étant situés de part et d'autre d'un deuxième bras et les premier et deuxième bras d'une part et les deuxième et troisième bras d'autre part étant notamment adjacents, de ladite au moins une série de bras de composants peut 5 être inférieure à la distance qui séparerait ces premier et troisième bras dans toute configuration où les premier, deuxième et troisième bras de ladite au moins une série de bras de composants seraient disposés les uns par rapport aux autres de sorte à être alignés 10 dans un même plan. L'invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, un circuit convertisseur de forte puissance, notamment pour une installation d'usine d'électrolyse, caractérisé en ce qu'il comporte : 15 - un transformateur comportant un premier secondaire et un deuxième secondaire, - un convertisseur de puissance tel que défini précédemment. Le transformateur peut être un 20 transformateur redresseur et le convertisseur de puissance peut être un redresseur de forte puissance, notamment pour l'électrolyse. Le circuit convertisseur selon l'invention peut comporter l'une quelconque des caractéristiques 25 précédemment énoncées, prises isolément ou selon toutes combinaisons techniquement possibles avec d'autres caractéristiques. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS 30 L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d'un exemple de mise en oeuvre non limitatif de celle-ci, ainsi qu'à l'examen des figures, schématiques et partielles, du dessin annexé, sur lequel : - la figure 1 représente un exemple de 5 circuit redresseur d'une installation d'usine d'électrolyse, - la figure 2 représente de façon plus détaillée le transformateur redresseur et le redresseur du circuit redresseur de la figure 1, 10 - la figure 3 illustre, en perspective, l'agencement selon l'art antérieur de bras d'un redresseur de forte puissance, - la figure 4 illustre, en vue du dessus ou coupe transversale, l'agencement des bras du redresseur 15 de la figure 3, - la figure 5 illustre, en perspective, l'agencement selon l'invention de bras d'un redresseur de forte puissance, et - la figure 6 illustre, en vue du dessus ou 20 coupe transversale, l'agencement des bras du redresseur de la figure 5. Dans l'ensemble de ces figures, des références identiques peuvent désigner des éléments identiques ou analogues. 25 EXPOSÉ DÉTAILLÉ D'UN MODE DE RÉALISATION PARTICULIER Dans la description des figures qui va suivre, le convertisseur de puissance 3 est un redresseur de forte puissance pour l'électrolyse de l'aluminium. Le 30 redresseur 3 peut être semblable à celui représenté sur le schéma électrique de la figure 2 décrite précédemment. En particulier, le redresseur 3 est dodécaphasé et comporte un pont redresseur de polarité positive P+ et un pont redresseur de polarité négative P-comportant chacun six bras de composants semiconducteurs. Les ponts convertisseur positif P+ et négatif P- peuvent être assimilés à un même pont 10 convertisseur destiné à être relié aux phases d'un premier secondaire (Ut, Vo, W,8,), ce pont convertisseur comportant trois bras reliés à la polarité positive V8,+, W,8,1 et trois autres bras reliés à la polarité négative (U,8,, W,8,-). 15 Les figures 3 à 6 illustrent la disposition des trois bras Bl, B2, B3 de la première série U,8,+, V8,+, W,8,+ du pont redresseur, représentée par la zone C sur la figure 2. Bien entendu, l'ensemble des choix mentionnés 20 ci-dessus n'est pas limitatif. En particulier, la configuration spatiale (ou architecture) des trois bras Bl, B2, B3 reliés à U,8,+, V8,+, W,8,+ peut être différente. De plus, les trois bras reliés à Uy+, Vy+, Wy+, les trois bras reliés à Uo Vo W,8,- et/ou les trois bras reliés à 25 Uy, Vy-, WY- peuvent également présenter une disposition non-alignée, semblable ou non à celle décrite pour les trois bras Bl, B2 et B3. En référence aux figures 3 et 4, on a représenté l'architecture classique selon l'art 30 antérieur des trois bras Bl, B2, B3 (zone C de la figure 2). Chaque bras Bl, B2, B3 comporte n composants montés en parallèle et reliés en entrée aux trois phases alternatives U,8,, Vo, iA7,8, du transformateur redresseur 2 et en sortie à la polarité positive du redresseur. Comme on peut le voir sur la figure 3 en perspective et sur la figure 4 en coupe transversale, les trois bras Bl, B2, B3 sont alignés dans un même plan. Des essais réalisés à partir de cette architecture où les trois bras Bl, B2, B3 sont alignés, avec un courant continu de l'ordre de 20 kA, ont permis de déterminer un déséquilibre maximum dImax en courant dans un bras de l'ordre de 16 %. Le déséquilibre maximum dImax en courant dans un bras est calculé par la formule suivante : dImax =100 x Imax d'un composant dans le bras - Imoyen de tous les composants dans le bras Imoyen de tous les composants dans le bras Un déséquilibre maximum dImax de l'ordre de 16 % signifie qu'au moins un composant est parcouru par 16 % de courant en plus que la moyenne du courant dans le bras auquel il appartient. En particulier, ce composant présentant le plus grand déséquilibre en courant se situe sur le bras central B2. Une telle réalisation selon l'art antérieur avec des bras alignés n'est pas entièrement satisfaisante car elle nécessite de dimensionner l'ensemble des composants constituant le redresseur, soit 240 composants pour un redresseur à 20 composants par bras par exemple, par rapport à celui qui est le plus déséquilibré en courant, c'est-à-dire celui présentant un déséquilibre de 16 %. Les figures 5 et 6 représentent, respectivement en perspective et en coupe transversale, l'agencement des bras Bl, B2 et B3 conformément à l'invention. Les bras Bl, B2 et B3 sont disposés, comme on peut le voir sur ces figures, de façon non-alignée dans un même plan. En particulier, comme on peut le voir sur la figure 6, les bras Bl, B2 et B3 définissent en coupe transversale les sommets d'un triangle T. En outre, comme on peut le voir sur la figure 5, une première partie des bras comportant le premier bras B1 et le deuxième bras B2 sont alignés dans un premier plan Al et une deuxième partie des bras comportant le deuxième bras B2 et le troisième bras B3 sont alignés dans un deuxième plan A2, les premier Al et deuxième A2 plans étant séquants au niveau d'une droite L. La distance a qui sépare les deux bras consécutifs B1 et B2 et les deux bras consécutifs B2 et B3 est supérieure à la distance ao qui sépare ces mêmes deux bras consécutifs B1 et B2, et B2 et B3, dans la configuration où les bras Bl, B2 et B3 sont alignés dans un même plan, comme représenté sur la figure 4. En particulier, la distance a peut être supérieure ou égale à 500 mm. La disposition non-alignée des bras du redresseur selon l'invention peut ainsi permettre d'augmenter la distance a entre les bras, favorisant le 30 passage de maintenance. Or, il a pu être observé qu'il existe une influence non négligeable, d'un bras sur l'autre, du champ magnétique généré lors des commutations de composants. Aussi, en augmentant la distance a entre les bras, l'influence du champ magnétique est diminuée et les composants des bras sont moins perturbés par les champs magnétiques générés par ceux des autres bras. Par ailleurs, la distance 13 qui sépare le premier bras B1 du troisième bras B3, les premier B1 et troisième B3 bras étant situés de part et d'autre du deuxième bras B2, est inférieure à la distance 130 qui sépare ces premier B1 et troisième B3 bras dans la configuration où les trois bras Bl, B2 et B3 sont alignés, comme représenté sur la figure 4. En effet, le fait d'avoir une architecture non-alignée selon l'invention permet de réduire la distance 13 qui sépare les deux bras extrêmes B1 et B3 de la série de bras, tout en permettant une augmentation de la distance a qui sépare deux bras consécutifs, ce qui permet ainsi de prévoir une architecture plus compacte pour le redresseur et d'entraîner un gain en termes d'encombrement et de transport, tout en maintenant un accès pour la maintenance. Des essais réalisés avec l'architecture selon l'invention des figures 5 et 6, avec un courant continu de l'ordre de 20 kA, ont permis de déterminer un déséquilibre maximum dImax en courant dans un bras d'environ 11 %. Autrement dit, au moins un composant est 30 parcouru par 11 % de courant en plus que la moyenne du courant dans le bras auquel il appartient. Le désalignement des bras Bl, B2 et B3 et l'augmentation de la distance a entre les bras permettent donc de diminuer le déséquilibre maximum dImax en courant du redresseur, facilitant ainsi le 5 dimensionnement du redresseur. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation qui vient d'être décrit. Diverses modifications peuvent y être apportées par l'homme du métier. 10 REVENDICATIONS1. Convertisseur de puissance (3) comportant : un pont convertisseur positif (P+) destiné à être relié aux phases d'un premier secondaire W,8,) et aux phases d'un deuxième secondaire (Uy, Vy, Wy) d'un transformateur (2), un pont convertisseur négatif (P-) destiné à être relié aux phases du premier secondaire W,8,) et aux phases du deuxième secondaire (Uy, Vy, Wy) du transformateur (2), le pont convertisseur positif (P+) et le pont convertisseur négatif (P-) étant du type pont de Graëtz et étant montés en parallèle, chaque pont convertisseur (P+ ; P-) comportant une première série de bras de composants (U,8,+, W,8,+; Uo /o W,8,-) reliés aux phases du premier secondaire (Ut, ^ W,8,) du transformateur (2) et une deuxième série de bras de composants (Uy+, Vy+, Wy+; Uy, Vy, Wy) reliés aux phases du deuxième secondaire du transformateur (2), caractérisé en ce qu'au moins une série de bras de composants (U,8,+, W,8,1 comporte des bras (B1, B2, B3) disposés les uns par rapport aux autres de sorte à être non-alignés dans un même plan. 2. Convertisseur de puissance selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est un redresseur de forte puissance pour l'électrolyse. 3. Convertisseur de puissance selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il est dodécaphasé et en ce que chaque pont convertisseur (P+ ; P-) comporte six bras de composants semi- conducteurs, à savoir une première série de trois bras (U,8,+, V,8,+, W,8,+; U,8,, V,8,, W,8, ) reliés aux phases du premier secondaire (Ut, V,8,, W,8,) du transformateur (2) et une deuxième série de trois bras (Uy+, Vy+, Wy+; Uy, Vy-, Wy-) reliés aux phases du deuxième secondaire (Uy, Vy, WY) du transformateur (2). 4. Convertisseur de puissance selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les bras (B1, B2, B3) de ladite au moins une série de bras de composants (U,8,+, V,8,+, W,8+) définissent, lorsqu'observés en coupe transversale, les sommets d'un polygone, notamment un triangle. 5. Convertisseur de puissance selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins une première partie (B1, B2) des bras de ladite au moins une série de bras de composants (U,8,+, V,8,+, W,8,+) comporte des bras alignés dans un premier plan (Al) et au moins une deuxième partie (B2, B3) des bras de ladite au moins une série de bras de composants (U,8,+, V,8,+, W,8,+) comporte des bras alignés dans un deuxième plan (A2), et en ce que les premier (Al) et deuxième (A2) plans sont sécants. 6. Convertisseur de puissance selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractériséen ce que la valeur maximale (dlmax) du déséquilibre en courant dans un bras donné du pont convertisseur positif (P+) et/ou du pont convertisseur négatif (P-) est inférieure ou égale à 15 %, notamment à 11 %, notamment réduite de 5 %, cette valeur maximale (dlmax) étant déterminée par la formule suivante : dlmax =100 x Imax d'un composant dans le bras - Imoyen de tous les composants dans le bras Imoyen de tous les composants dans le bras 7. Convertisseur de puissance selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque bras du pont convertisseur positif (P+) et/ou du pont convertisseur négatif (P-) est constitué par une mise en parallèle de plusieurs diodes 15 et/ou thyristors (5), chaque diode ou thyristor (5) étant notamment monté en série avec un fusible (6). 8. Convertisseur de puissance selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé 20 en ce que la distance (a) qui sépare deux bras (B1, B2 ; B2, B3) consécutifs de ladite au moins une série de bras de composants (U,8,+, W,8,+) est supérieure à la distance (a0) qui séparerait ces deux bras consécutifs dans toute configuration où les bras (B1, B2, B3) de 25 ladite au moins une série de bras de composants (U,8,+, W,8,1 seraient disposés les uns par rapport aux autres de sorte à être alignés dans un même plan. 9. Convertisseur de puissance selon l'une 30 quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la distance (R) qui sépare un premier bras(B1) d'un troisième bras (B3), les premier (B1) et troisième (B3) bras étant situés de part et d'autre d'un deuxième bras (B2), de ladite au moins une série de bras de composants (U,8,+, V8,+, W,8,+) est inférieure à la distance fflo) qui séparerait ces premier (B1) et troisième (B3) bras dans toute configuration où les premier, deuxième et troisième bras (B1, B2, B3) de ladite au moins une série de bras de composants (U,8,+, V8,+, W,8,1 seraient disposés les uns par rapport aux autres de sorte à être alignés dans un même plan. 10. Circuit convertisseur de forte puissance (10) caractérisé en ce qu'il comporte : - un transformateur (2) comportant un 15 premier secondaire (Ut, Vo, W,8,) et un deuxième secondaire (Uy, Vy, Wy), - un convertisseur de puissance (3) selon l'une quelconque des revendications précédentes.