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BREVET D'INVENTION Dispositif d'échange mutuel d.e puissance par convertisseurs à contacts entre réseaux de courant alternatif et de courant continué
L'invention a trait à des convertisseurs fonctionnant au moyen de contacts actionnes mécaniquement et qui sont équipes avec des réactances pour obtenir une commutation sans étincelles. Par réactances, il faut entendre des bobines à impédance qui possèdent une caractéristique d'aimantation fortement coudée et se saturent déjà sous un courant très
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faible par rapport au courant normal.
Lorsque ces réactances sont branchées en série avec les contacts et qu'en outre il existe des dérivations en parallèle sur ces mêmes contacts, laissant passer un certain courant vers les réactances, même lorsque les contacts sont ouverts, on arrive à réaliser une ouverture pratiquement sans courant, sans qu'il soit nécessaire d'observer des moments d'ouverture rigoureusement exacts, et à maintenir le trajet de coupure sans tension, directement avant et après l'effleurement. Un convertisseur ainsi équipé peut fonctionner aussi bien en redresseur qu'en onduleur. Toutefois le fonctionnement en redresseur néces- site une position de fermeture des contacts différente de celle du fonctionnement en onduleur.
Pour le fonctionnement en redresseur il fautque le courant passant d'une phase à la suivante se fasse après le point d'équilibre des tensions, tandis qu'en fonctionnement en onduleur, ce passage doit se faire avant. Pour l'alimentation des consommateurs, chez lesquels il se produit souvent un excès d'énergie, par exemple lors d'un freinage par récupération, il est souhaitable qu'un changement de sens puisse se produire instantanément dans le convertisseur à contacts. On a déjà proposé dans ce cas de provoquer le changement de sens instantané en agissant sur la commande des contacts pour permettre au convertisseur de passer par exemple du fonctionnement en redresseur au fonctionnement en onduleur sans modifier la tension redressée.
Ce mode de variation mécanique de la commande des contacts n'est cepenaant guère facile à réaliser, du point de vue construction, et d'autre part, au moment du changement de la. commande modifiant le sens du courant, le consommateur est livré à. lui-même, ce qui dans bien des
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cas ne peut être toléré.
L'invention s'est donc donne pour tache de réaliser un dispositif convertisseur à contacts permettant de ahanger instantanément le sens de l'énergie sans commutation ni interruption du circuit de courant continu quel que soit le degré de réglagedonné à la commande. Conformément à l'invention, les deux réseaux sont à cet effet reliés ensemble par deux groupes de convertisseurs à contacts ddnt l'un est constamment commandé en redresseur et l'autre en onduleur.
Si on laisse les deux: groupes intervertir leurs rôles de manière que le groupe jusqu'alors commandé en redresseur devienne groupe onduleur et vice versa, la polarité du circuit: de courant continu peut alors changer, ce qui par exemple pour la commande de certains moteurs présente une réelle importance.
On a reproduit figure 1 un exemple de branchement d'une installation conforme à l'invention. Dans cette figure le réseau de courant triphasé est désigné par 3 et le consommateur de courant continu par 14; Tous deux sont réunis par les groupes de convertisseurs à contacts 1 et 2, qui du côté alternatif sont tous deux réunis à un enroulement commun de transformateur. Dans le cas considéré cet enroulement constitue un transformateur 4 à faible consommation, bien qu'on puisse également employer un transformateur ordinaire.
On pourrait en outre prévoir un enroulement séparé pour chaque groupe de convertisseursi Les conducteurs des groupes de convertisseurs 1 et 3 sont réunis aux prises 5 et 6 respectivement du transformateur 4, particularité dont il sera fait mention plus loin. Les contacts des groupes de convertisseurs sont branchés en montage Graetz de sorte que pour
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l'alimentation figurée en troisphases il faut six contacts pour chaque unité. Les groupes de contacts sont désignés par 7 et 8 respectivement.
Ils sont actionnés par un moteur 13 au moyen d'un mécanisme non représenté, de manière que, comme on l'a indiqué plus haut, lesmoments de fermeture des contacts d'un groupe, et ceux des contacts de l'autre groupe se trouvent situés avant et après, respectivement, le point d'équilibre de tension entre deux phases consécutives. Dans le cas où la commande devrait être modifiée pour régler la tension continue, ce changement de commande doit se faire en même temps pour les deux groupesredresseur et onduleur, le décalage du point de cohtact s'effectuant en retard pour le premier groupe, et pour le deuxième groupe en avance. C'est ce qui permet d'obtenir un mécanisme d'inversion réglable, lorsqu'on ne préfère pas adopter un moteur d'entraînement séparé pour chaquegroupe, au lieu du moteur commun.
En série avec les contacts 7 et 8 respectivement on a branché les enroulements de travail 9 des réactances, alors que les trajets de dérivation 11 et 12 respectivement, sont montés en parallèle sur les contacts. Dans l'exemple d'exécution représenté, les dérivations sont constituées par des résistances ohmiques en série avec des condensateurs.
Du côté continu, les deux groupes de convertisseurs 1 et 2 sont tous deux reliés en parallèle au consommateur de courant continu 14 en passant chacun par une impédance d'amortissement 15 et 16 respectivement. Outre leurs enroulements de travail, les réactances comportent également des enroulements de pré-aimantation 17 et 18 respectivement alimentés par le circuit continu passant à travers des résistances
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variables 19 et 20 respectivement, dont l'importance sera décrite plus loin.
On remarquera seulement que la préaimantation des réactances peut aussi s'effectuer par le courant alternatif, ce qui est même préférable dans certaines conditions pour les groupes importants,
Un montage analogue à celui qui vient d'être décrit est déjà connu pour les redresseurs à soupapes, sous le nom de montage "en croix".
Mais pour les redresseurs à soupapes les conditions sont fort différentes de celles des redresseurs à contacts, précisément en raison de l'action des soupapes qui détermine le sens unique du courant dans chaque redresseur et s'oppose au passage de courants contraires, Dans les convertisseurs à contacts par contre, lessens du courant n'est pas déterminé à l'avance, mais sa direction est uniquement déterminée par le rapport entre la FEM redressée du convertisseur et la FEM du consommateur de oourant continu. Les contre-courants sont donc parfaitement possibles.
Il faut donc absolument les empêcher de se pocduire, car la position du moment de fermeture des contacts ne peut être exacte que pour un sens de courant déterminé, de sorte que l'apparition d'un contre courant notable amè- nerait la formation d'étincelles aux contacts. Une tension contraire faible, et par suite un faible contre courant dans les convertisseurs pourrait, il est vrai, être admissible grâce à l'action des réaotances, mais la sollicitation contraire ne doit cependant pas atteindre une valeur telle que le courant dépasse la valeur de saturation des réactances.
Ces dernières ne doivent donc travailler que dans l'étage du courant.
On peut empêcher la formation de courants contraires
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en décalant d'une certaine façon lescaractéristiques des tensions des deux groupes de convertisseurs. Ce résultat est obtenu lorsque la courbe ascendante de tension du groupe travaillant en onduleur coupe la courbe de tension descendante du groupe travaillant en redresseur, de manière que pour toutes charges, les deux groupes fournissent un courant interne circulaire dans un sens correspondant à leur genre de fonctionnement momentané. Ces conditions ressortent clairement de l'examen de la figure 2. On peut en effet supposer que les caractéristiques des deux groupes sont des lignes droites. Ces caractéristiques sont reproduites en pointillé à la figure 2, U'g étant la caractéristique du redresseur, U'w celle de l'onduleur.
Le point de marche à vide de la caractéristique de l'onduleur est plus bas que celui de la marche à vide du redresseur et les deux courbes se coupent au point S correspondant à une valeur de courant j'o. Si le consommateur 14 (fig, 1) est débranché ou ne consomme pas de courant, la tension dans le circuit continu intermédiaire, qui s'étend entre les deux groupes, s'établit à une valeur correspondante au point de section des deux courbes U'g et U'w. Un courant j'o' correspondant également à ce point d'intersection, circule et ce courant, prélevé sur le réseau de courant triphasé, puis redressé dans le redresseur repasse à ce même réseau triphasé par l'onduleur. Il s'agit donc bien d'un courant interne circulaire de sorte qu'on ne prend au réseau triphasé que les pertes des deux groupes y compris celles du transformateur.
Ces pertes, avec les convertisseus @ contacts sont extrêmement faibles puisqu'il ne se produit pas de chute de tension notable aux contacts et que cette chute si elle se produit,
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demeure extrêmement faible dans les réactances lorsqu'elles 4- -; ont été calculées convenablement et qu'elles :possèdent des fers de bonne qua.li té. Un courant circulaire important peut donc exister sans dommage notable.
Mais si par exemple le redresseur est- chargé par un courant J'g sa tension aux bornes s'abaisse à la valeur indiquée par le point de fonctionnement A', tension qui est la même que celle du circuit continu intermédiaire. A cette tension du circuit continu intermédiaire correspond le point de fonctionnement B' de la caractéristique U'w de l'onduleur.
Il s'ensuitque l'onduleur débite un courant J'w. La fraction de courant continu qui retourne au réseau de triphasé par l'onduleur est dé jà devenue très faible. Si la charge du redresseur augmente encore, le point de fonctionnement B' , sur la caractéristique de l'onduleur, se rapproche toujours davantage du point de marche à vide C et atteint ee dernier lorsque le redresseur débite le courant marqué Jmax L'onduleur ne débitealors plus de courant, et toutle:
courant redressé s'en va au consommateur 14; Nais en même temps ce courant Jmax représente le courant maximum de consommation, car un abaissement ultérieur de tension dans le circuit oo,ntinu intermédiaire transformerait l'onduleur en courant inverse, ce qui, comme on l'a dit, ne saurait être toléré que dans une mesure très faible,,
Les convertisseurs se comportent d'une manière tout à fait analogue lorsque la FEM du consommateur 14 dépasse le point S.
Le courant de l'onduleur est alors plus tact que, celui du redresseur et le courant du redresseur devient nul lorsque le consommateur renvoie un courant eT
Par l'exposé de ces conditions, on peut voir que la tension de marche à vide de 1' onduleur doit être de toutes
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façons maintenue inférieure à celle du redresseur. Pour arriver à ce but on dispose de plusieurs moyens. Un de ceuxci est indiqué figure 1 et consiste à engoyer aux deux groupes de convertisseurs des tensions élevées différentes par le transformateur. Lors d'un échange entre redresseur et onduleur, les tensions doivent aussi être fournies par le transformateur et le cas échéant les prises sur ltenroulement commun du transformateur doivent être interverties.
On peut arriver à un résultat analogue en faisant constamment fonctionner le redresseur avec une commande plus faible, c'est-à-dire avec un angle de commande plus grand, que celui de l'onduleure Dans le cas le plus simple on peut maintenir entre les deux angles de commande une différence constante ; les courbes se rapprochent toutefois lorsque des var.ations de commande plus importantes deviennent nécessaires. Ceci résulte de la dépendance cosinusoidale entre la tension redressée et l'angle de commande. -1 y a donc avantage, sous certaines conditions, lorsque la modification de commande doit être effectuée par un mécanisme, à agencer celui-ci de manière que cette différence d'angle devienne toujours plus petite quand le degré de commande s'abaisse.
Comme troisième possibilité, on mentionnera encore une préaimantation différente des réactances des deux groupes de convertisseurs, ce qui a déjà été indiqué sur la figure 1.
Par la pré-aimantation on peut influer sur la durée de l'étage de branchement , c'est-à-dire par rapport au moment de la mise en circuit, la position de ce point pour la.quelle le passage réel du courant à la phase suivante va commencer,, La position de ce point-moment pour laquelle la phase suivante prend le courant pendant la demi-période de tension
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alternative, est déterminante pour le degré de la commandei
Four la forme de caractéristique jusqu'ici supposée droite, comme dans la figure 2, il existe un courant air- oulaire relativement important lorsqu'il n'y a pas de charge
On peut cependant abaisser considérablement ce courant cir- culaire, sans pour cela amoindrir les limites permises de charge, en donnant aux caractéristiques de la.
figure 2 les trajets représentés en Ug etUw respectivement, c'est-à-dire que les caractéristiques prennent une pente plus prononcée pour les courants faibles que pour les courants plus forts*
Le point d'intersection des deux caractéristiques qui dé- termine le courant J. pour l'état sans charge, s'est main- tenant essentiellement rapproché de l'axe des ordonnées. Les limites de charge sont cependant restées les mêmes. Le point de marche à vide de la caractéristique de l'onduleur est de nouveau atteint pour une charge de redresseur Jmax qui repré- sente en même temps le courant de consommation le plus élevé permissible .
Pour une chargede redresseur J , à laquelle correspond le courant de l'onduleur J'g descearactéristiques rectilignes, il ne reste plus pour l'onduleur que le courant
Jw qui est essentiellement plus faible. Le courant circulaire est donc abaissé essentiellement pour toutes les charges.
Lorsque la FEM du consommateur 14 dépasse la valeur de tension déterminée par le point d'intersection des caracté- ristiques Ug et Uw' le courant de l'onduleur a le pas sur celui du redresseur, de sorte qu'il se produit un fonction- nement inversé: Si les caractéristiques sont symétriques, comme dans la figure 2, le courant d'inversion peut monter jusqu'au point Jmax" car ce n'est qu'à ce moment que le point de marche à vide est atteint sur la caractéristique
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du redresseur, et qu'une augmentation ultérieure de,courant provoquerait un courant de retour dans le redresseur. Une forme symétrique de caractéristiques n'est toutefois nullement indispensable, de même qu'il n'est pas du tout nécessaire de calculer les fractionnements redresseur et onduleur pour des puissances identiques.
Dans bien des cas, la puis- s&nce se manifestant en fonctionnement inversé est toujours plus faible que la puissance prise par le consommateur, de sorte qu'il est possible de donner une puissanoe plus faible à l'onduleur qu'au redresseur;
On reconnaît donc facilement d'âpres la. figure 2 que le courant circulaire, par rapport aux courants de charge permissibles, devient toujours plus faible, plus le coude des caractéristiques est plus prononcé dans le voisinage du point d'intersection. Il y a donc avantage à donner aux caractéristiques une forme coudée.
La forme coudée des caractéristiques peut ètre obtenue de différentes manières. Les caractéristiques des convertisseurs à contacts présentent déjà une courbure faible du fait des réactances. La cause en est la suivante; de nombreuses variétés de fer, parmi celles destinées à la fabrication des réactances, ont une courbe d'aimantation qui présente un coude très brusque mais qui n'arrive pas au-dessus de ce coude, directement au voisinage de la saturation absolue, mais qui au contraire, sur un trajet assez long présente une pente plus prononcée qu'au point de saturation absolue.
Pour que le courant dans les réactances monte à une valeur qui se trouve déjà dans le domaine de la saturation absolue, il est donc nécessaire, par suite des variations importantes du flux, de donner aux réactances une intégrale
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de temps de tension plus forte que lorsque le courant n'a besoin que de monter à une valeur située directement audessus du coude de la caractéristique. Mais pour des courants importants, ceci correspond à un retard plus accentué pour le passage du courant d'une phase à la phase suivante, tandis que pour des courantde charge situés directement auxessus du coude de saturation ce passage s'effectue plus rapidement.
Le degré de commande se trouve donc quelque peu abaissé, dans une certaine mesure, pour des courants de charge plus importants, alors qu'il augmente lorsque la charge diminue, de sorte que la caractéristique courant-tension présente l'augmentation mentionnée pour des charges plus faibles* Cette manifestation est naturellement d'autant plus marquée que la caractéristique de la fariété de fer utilisé possède davantage les propriétés mentionnées plus haut. Un est obli- gé, pour d'autres raisons, d'employer du fer dont la oaractéristique d'aimantation passe à l'état de saturation absolue le plus près possible au-dessus, du coude prononcé.
Mais pour atteihdre, avec des réactances comportant un noyau de fer du genre ci-dessus, un,coude de caractéristique suffisant, on peut construire une petite partie du noyau de la réactance en un fer ayant les propriétés ci-dessus mais avec des propriétés magnétisamtes moins bonnes: Comme la courbure des caractéristiques n'est nécessaire que si la charge se déplace dans des domaines où il peut y avoir danger de courants de retour, il suffit que l'apport du fer ayant une valeur moindre dansle noyau de la réaotance agisse dans ces limites de charge.
Pour les charges ne comportant pas direc- tement de danger de contre-courants, on peut rendre inefficace cette partie du noyau de la réactance par exemple en
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court-circuitant la portion d'enroulement qui la recouvre, ou la neutraliser par une pré-aimant ation, de manière à exploiter entièrement tous les avantages du fer constituant le reste du noyau:
Comme le degré de commande dépend de la pré-aimantation des réactances, on peut obtenir la courbure nécessaire des caractéristiques, ainsi que leur pente, par une préaimantation des réactances Variable avec la change,
On règle alors utilement le courant de la pré-aimantation au moyen d'un régulateur automatique qui agit sous l'influence du courant de charge et possède la caractéris- tique nécessaire.
REVEND! CATIONS.
1 Dispositif d'échange mutuel de puissance entre un réseau de courant continu et un réseau de courant alternatif au moyen de convertisseurs 4 contacts avec réactances, caractérisé par le fait que les réseaux sont reliés l'un à l'autre au moyen de deux groupes de convertisseurs à contacts dont l'un est toujours commandé en redresseur et 1''autre en onduleur.