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DISPOSITIF DE PROTECTION 'DIFFERENTIEL >P;0UR REDRESSEURS DE-COURANT.
Pour éviter les effets désastreux des retours d'arc dans des re- dresseurs de courant, particulièrement des convertisseurs à contact, on con- naît le procédé consistant à utiliser un dispositif comparant le courant al- ternatif d'entrée au courant continu de sortie du redresseur de courant, qui dans le cas d'arcs de retour déclenche un dispositif de protection.
La figure 1 représente schématiquement un tel dispositif de pro- tection différentiel. On y a choisi à titre d'exemple un transformateur à contacts K protégeant contre les retours d'arc et représenté symboliquement Le courant continu Jg qu'il produit est comparé dans un transformateur annulaire différentiel a un deuxième courant continu Jw' qui à l'aide d'une installation de redressement total G est obtenu à partir des courants secon- daires de convertisseurs SW, qui sont montés dans les conducteurs U, V, W amenant le courant continu au transformateur à contacts K.
En cas de per-- turbation de l'équilibre d'ampère-tours dans le convertisseur annulaire R, qui a lieu par exemple en cas de retour d'arc parce que le courant con- tinu Jw obtenu à partir des courants alternatifs des phases U, V, W augmente très rapidement, tandis que le courant continu de charge Jg commence à décroître, la polarité du noyau annulaire du convertisseur est renversé et une impulsion iA est produite dans l'enroulement de déclenchement A, qui manoeuvre
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le court-circuiteur Sch.
Le court-circuiteur, qui est maintenu ouvert pen- dant le fonctionnement normal, par exemple à aide de l'enroulement de sup- port H, ponte alôrs les contacts de manoeuvre du convertisseur K et les pro- tège ainsi contre les brûlures, de telle sorte que la suppression de la per- turbation peut avoir lieu de manière appropriée, par exemple à l'aide de 1' interrupteur principal, sans que des exigences spéciales en ce qui concerne la rapidité de cette suppression soient imposées.
A cause de la nécessité du montage en redresseur G et des con- vertisseurs SW, le montage de protection suivant la figure 1 est surtout em- ployé dans des redresseurs à grande puissance. Mais leur prix de revient
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est trop élevé pour les redresseurs de puissance faible et moyenne. Pour cette raison la présente invention a pour but de créer un montage de pro- tection dans lequel les' convertisseurs et le dispositif redresseur auxili- aire ne sont pas nécessaires.
L'invention se rapporte également à un dispositif de protection différentiel pour redresseurs de courant, particulièrement pour transforma- teurs à contacts, dans lequel un dispositif comparant le courant alternatif fourni au courant continu produit déclenche le dispositif de protection pour le redresseur de courant. Suivant l'invention les courants à comparer constituent directement le flux traversant les circuits magnétiques fermés, sur lesquels sont montés les enroulements de déclenchement pour le disposi- tif de protection. L'invention sera décrite plus en détail avec référence aux figures 2 à 14.
Les figures 2 et 3 représentent schématiquement un exemple de disposition de principe d'un dispositif de protection suivant l'invention, destiné à un raccordement triphasé. Un des deux conducteurs de courant con- tinu traverse trois noyaux annulaires Rl, R2 et R3 en matière magnétique à courbe d'hytérésis de préférence approximativement rectangulaire, par exem- ple en un alliage fer-nickel ou silicium-fer, de telle sorte que les trois noyaux sont traversés par le flux du courant continu Jg de charge. En outre chaque noyau est traversé par un des trois conducteurs courant continu U, V, W.
Les trois noyaux portent en outre encore des enroulements de déclenche- ment Al, A2, A3, montés par exemple en série et reliés à la bobine de dé- clenchement du dispositif de protection..
Le fonctionnement de ce dispositif sera expliqué tout d'abord à l'aide, du montage triphasé en étoile d'un transformateur à contacts, avec référence à la figure 4. Le montage en série, non représenté en détail, de chaque dispositif de contact isolé avec la bobine de réactance associée connue en soi, est remplacé par le symbole d'un redresseur K1, K2, K3, indi- quant également la direction normale du courant redressé par le transforma- teur à contacts. Kl, K2, K3 peuvent cependant également désigner des redres- seurs d'un,type différent, par exemple des redresseurs de décharge. Tr dé- signe un transformateur raccordé au réseau alternatif R, S, T. Les cou- rants des phases secondaires U, V, W de ce réseau alternatif sont redressés par les redresseurs Kl, K2, K3.
L désigne la charge du redresseur-de courant et D désigne une bobine de réactance pour le filtrage du courant continu de charge Jg. R1, R2, R3 désignent les noyaux annulaires représentés par la figure 2. -
La figure 5 représente l'évolution des courants il.. i2, et i3, qui traversent les redresseurs Kl, K2, K3 des différentes phases (figure 4) sous forme de courbe. En cas de fonctionnement normal non perturbé il se forme à la fin de chaque période de transmission de courant, par suite de l'effet de la bobine de réactance précitée, un étage St de courant très faible, pendant laquelle le dispositif de contact peut être ouvert sans formation d'étincelles.
Après l'ouverture du contact le flux de courant est interrompu dans la phase en question jusqu'à ré-enclenchement au cours de la période suivante.
Le retour d'arc est caractérisé par le fait que pour une raison perturbatrice quelconque le courant n'est pas interrompu après écoulement de la période mais continue sous formé de retour d'arc - cét arc étant par exemple formé entre les surfaces de contact. Si l'on suppose à titre d'exem- ple un retour d'arc après la fin de l'étage du courant il ce retour d'arc serait représenté par le courantil , ce courant de retour sera fourni par la phase suivante, dans l'exemple cité par la phase 2,.de telle sorte que le courant avant de cette phase augmente au-delà de sa valeur normale symé- triquement par rapport au courant de retour il? suivant la courbe i2R.
Les courants i1R et i2R peuvent ainsi atteindre tres rapidement des valeurs élevées, étant donné que i2 n'est à présent plus, comme dans le fonctionnement non perturbé, limité par la résistance du circuit de charge extérieur, mais uniquement-par les chutes de tension dans le circuit .inverseur de courant.
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La figure 6 représente, en se basant sur une courbe d'hystéré- sis rectangulaire idéale, les phénomènes dans le noyau annulaire R2. En cas de fonctionnement non perturbé le noyau est continuellement maintenu à l'état de;saturation en direction négative par le èourant continu Jg émis Aux moments où le flux de courant de la phase 2 est interrompu, l' inten- sité de champ correspond à la ligne verticale i2 = 0 et le point correspon- dant sur la courbe-d'hystérésis est -Bs. Pendant la période de travail de la phase 2 i2 = Jg. Par suite du flux en sens contraire dans'le circuit magnétique fermédu noyau annulaire le courant alternatif compense tout jus- tement le flux de courant continu, et le point correspondant sur la courbe- d'hystérésis est déplacé vers le point de rémanence -Br.
Ce phénomène est répété au cours de chaque période. L'alternance continue entre -Bs et -Br n'a pratiquement pour conséquence aucune variation de flux, si l'on emploie du fer de bonne qualité, de telle sorte que l'enroulement de déclenchement prévu sur le noyau n'est pas traversé par du courant.
Mais dès qu'en cas de retour d'arc le courant i2 croît jusqu'à devenir i2R, tandis que le courant continu Jg peut être considéré encore comme invariable au premier instant, et diminue ensuite et ainsi augmente .encore l'excès de flux du courant i2R,la polarité du noyau est renversée selon la partie en pointillé de la courbe d'hystérésis. De ce fait, une force électromotrice est induite dans l'enroulement de déclenchement, qui a pour conséquence un courant de déclenchement d'une valeur telle que ce courant annule pratiquement la somme des flux,
Les deux autres noyaux annulaires Rl et R3 sont également satu- rés au commencement du retour d'arc par le courant continu.
L'action du courant ilR dans le noyau R1 exerce un effet de saturation supplémentaire et le courant de déclenchement iA traversant les enroulements de déclenche- ment Al et A3 sur les deux noyaux Al et A3 produit en outre un effet de ren- forcement de la saturation. Dans ces deux noyaux Rl et R3 aucune tension n'est donc induite, qui pourrait empêcher l'augmentation du courant de dé- clenchement. Le courant de déclenchement croissant iA ne produit non plus aucun renversement de polarité de ces noyaux,. mais il se produit uniquement une chute de tension correspondant à l'inductance à l'air des enroulements de déclenchement.
Le dispositif suivant les figures 2 à 4 est donc capable de remplacer avantageusement, sans l'emploi de convertisseurs et de redres- seurs spéciaux, le montage de protection connu de redresseurs de courant suivant la figure 1.
Afin qu'indépendamment des phénomènes d'aimantation cités plus haut des circuits magnétiques fermés de préférence sous forme de noyaux an- nulaires, la direction de saturation exacte soit toujours assurée lors de la mise en marche du redresseur de courant, il peut être préférable de com- muniquer aux noyaux une faible préaimantation en courant continu, en direc- tion du courant de retour croissant, donc en direction du courant Jg'dans le conducteur de courant continu, de telle sorte qu'en fonctionnement non per- turbé le flux de courant'continu soit quelque peu dominant. Pour la produc- tion de cette pré-aimantation on peut prévoir un enroulement auxiliaire sur les noyaux, qui peut être traversé soit par le courant d'une petite source de courant continu, soit par le courant de charge de base du redresseur de courant.
Cette dernière éventualité est également'possible lorsque le cou- rant de charge de base est coupé si unè certaine charge minimum limite est dépassée. En effet si le noyau a été polarisé dans le bon sens au commence- ment, seule une perturbation peut changer cette polarité après l'arrêt de la pré-aimantation.
Au lieu de monter en série les enroulements de déclenchement Al, A2, A3 des trois noyaux annulaires Rl, R2, R3 (figures 2 à 4) les diffé- rents enroulements de déclenchement peuvent également agir séparément sur les dispositifs de protection; il suffit que le déclencheur prévu- pour ce dispositif soit muni de trois'enroulements séparés. Dans la figure 4 il faut en ce cas prévoir pour le court-circuiteur Sch, en plus de l'enroulement de support H, trois enroulements de commande séparés. Au lieu du court-circui- teur Sch on peut aussi employer tout autre dispositif de protection, qui as-
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sure une protection exempte de retards du redresseur de courant lors d'un retour d'arc.
Les figures 7 et 8 représentent en élévation latérale et en plan un autre groupement des noyaux annulaires R1, R2, R3, dans lequel les noyaux annulaires Rl, R2, R3 entourant le conducteur courant continu recti- . ligne sont décalés de manière telle l'un par rapport aux autres que les'con- ducteurs courant alternatif U, V, W peuvent également traverser sans coudes et en ligne droite les noyaux auxquels ils sont associés. Pour la fabrica- tion du nouveau dispositif de protection différentiel on peut employer avec avantage les noyaux annulaires en ruban, qui sont composés de rubans en ma- tière magnétique, laminés, très minces, et enroulés en anneau. Les circuits magnétiques fermés peuvent cependant aussi avoir une forme et une constitu- tion différentes.
Dans la suite on va décrire le comportement du nouveau disposi- tif de protection lorsqu'il est employé avec un montage en pont du redres- seur. La figure 9 représente sous sa forme la plus simple un tel montage triphasé en pont. Les mêmes chiffres de référence désignent les mêmes élé- ments que dans la figure 4. Les phases secondaires U, V, W du transformateur Tr sont reliés aux points de dérivation 0, P, Q d'une part aux redresseurs K1, K2, K3 et d'autre part aux redresseurs K'1, K'2, K'3, dont la-direction de passage est indiquée'par les symboles de soupape..
La figure 10 représente les courbes de courant correspondantes.
Si l'on monte par exemple un dispositif de protection correspondant à la fi- gure 4 à l'endroit C de la figure 9 dans les phases secondaires du transfor- mateur Tr, il faut distinguer deux cas. Si le retour d'arc se produit à la fin de l'étage d'une période de transmission de courant positive, par exem- ple Il+., le phénomène a lieu de la manière décrite plus haut, et l'impulsion de déclenchement dans l'enroulement de déclenchement correspondant se pro- duit au début du retour d'arc. Si par contre le retour d'arc a lieu à la fin de l'étage d'une période de transmission de courant négative, par exem- ple il l'accroissement supplémentaire immédiat du courant avant i2R n'est d'aucune utilité, étant donné qu'il renforce encore la saturation du circuit magnétique correspondant ou du noyau.
L'impulsion de déclenche- ment doit par contre être produite à présent par le noyau R1 de la phase 1.
Mais pour cela il faut que. le courant i1R s'accroisse tout d'abord jusqu'à atteindre la valeur du courant continu Jg à chaque instant, pour supprimer la traversée du noyau par un flux de courant continu. C'est seulement un accroissement supplémentaire qui produit un renversement de polarité du noyau et l'induction d'une impulsion de déclenchement. Dans ce cas le temps nécessaire au courant i pour prendre la valeur Jg est perdu, avant que ne commence l'impulsion de déclenchement. Les redresseurs correspon- dants,par exemple les contacts de convertisseurs, doivent en outre trans- mettre un'courant accru de la valeur Jg, ce qui augmente le degré de dom- mages produit par l'arc de retour.
Lorsque le dispositif de protection con- tre les retours d'arc est inséré au point C de la figure 9, on n'obtient donc pas dans tous les cas les mêmes avantages qu'avec son utilisation pour le montage en étoile suivant la figure 4.
Pour cette raison son montage au point C de la figure 9 ne sera employé qu'avec des redresseurs de puissance moindre, pour lesquels le re- tard de déclenchement précité et l'augmentation du courant ne produit pas encore des dommages trop considérables.
Une protection équivalente à celle décrite plus haut avec ré- férence au montage en étoile de la figure 4 est obtenue lorsque des dispo- sitifs de protection différentiels triphasés sont montés aux points E et F du montage en pont suivant la figure 9; en effet chacune des deux moitiés du pont constitue isolément un montage triphasé en étoile. Il faut pour cette raison deux dispositifs de protection différentiels, par exemple sui- vant les figures 2 et 3 ou 7 et 8, et par conséquent, six noyaux.
Un dispositif à action également rapide dans les deux sens du courant est cependant également possible, lorsque l'on emploie six noyaux,
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au point C, si dans chacune des trois phases U, V, W un couple de noyaux est disposé de manière telle que, comme l'indique la figure 11 pour la phase U les flux de courant alternatif traversant deux noyaux (R1a et R1b) de chaque couple de noyaux ont des sens différents, le conducteur de courant alterna- tif (U) traversant ces noyaux avec des enroulements en sens différents.
En correspondance avec ce qui précède, il se produit dans ce cas lors d'un retour d'arc une impulsion soit dans l'enroulement de déclenchement (Ala), soit dans l'autre enroulement de déclenchement (Alb) en série avec le pre- mier, cette impulsion commandant de la manière décrite le dispositif de protection.
Une disposition équivalente, qui évite cependant le doublement des noyaux, et qui constitue une forme de réalisation préférée, est obtenue si, suivant la figure 12, les circuits ou noyaux magnétiques sont tous tra- versés par du courant continu et si chacun des noyaux est en outre relié aux deux conducteurs issus chacun d'un point de dérivation, leurs sens d'en- roulement étant opposés, Dans la figure 12 le noyau RI associé à la phase U est représenté avec le conducteur transportant le courant continu Jg.
Le conducteur de pont correspondant entre les points E et'F est monté sur le noyau sous forme d'un enroulement, dont la dérivation centrale 0 est raccordée au conducteur de phase U du transformateur Tr. Le point 0 est par conséquent le point de dérivation du pont. Impliquant seulement une aug- mentation peu importante du diamètre du noyau annulaire due à la nécessité de logement du deuxième conducteur courant alternatif, cette disposition remplit, en ce qui concerne la vitesse de déclenchement et la valeur du cou- rant de contact les mêmes conditions dans le montage en pont du redresseur triphasé suivant la figure 9 que le dispositif de protection suivant la figure 4 dans le montage en étoile triphasé y représenté.
Le nouveau, dispositif peut également être employé de façon con- forme pour d'autres nombres de phases et pour d'autres montages de redres- seur. Il n'est pas seulement limité à des transformateurs à contacts mais peut aussi être appliqué à d'autres types de redresseur, avec les mêmes a- vantages en ce qui concerne la production sans retard de l'impulsion de déclenchement déjà au commencement du retour d'arc. Il peut être utilisé par exemple avec des redresseurs à vapeur de mercure à commande par grille pour déclencher le relais rapide pour le verrouillage de la grille. La disposition d'un noyau par phase permet même un déclenchement sélectif d'appareils de protection qui n'agissent que sur les phases isolées.
Un développement avantageux du dispositif de protection diffé- rentiel ci-dessus décrit réside dans le fait que le flux traversant les circuits magnétiques est produit par des bobines à plusieurs spires. De cette manière on peut, en comparaison avec le passage simple des conduites à travers les circuits magnétiques, réduire la section des noyaux magnéti- ques tout en gardant le même rendement. Le nombre de spires pour les en- roulements côté courant alternatif d'une part et les enroulements courant continu d'autre part doit être en substance identique.
Pour assurer l'état d'aimantation convenable pour le fonctionnement non perturbé, les nombres de spires peuvent être accordés de façon telle que le flux de courant con- tinu pur domine quelque peu au cours du fonctionnement normal, ou bien que le nombre de 'spires des enroulements côté courant alternatif des circuits magnétiques est un peu plus réduit.
Pour chaque noyau magnétique un enroulement courant continu particulier peut être prévu. Le flux de courant continu nécessaire peut cependant aussi être produit par un enroulement courant continu commun à plusieurs ou à tous les noyaux magnétiques.
Les enroulements de déclenchement peuvent présenter plusieurs spires. Dans les formes de réalisation décrites jusqu'à présent suivant les figures 2, 4, 11 et 12 on a prévu une bobine de déclenchement particu- lière pour chaque noyau magnétique. Une bobine de déclenchement commun à plusieurs ou à tous les noyaux magnétiques est cependant avantageuse préci- sément pour le développement de l'invention comportant des enroulements à plusieurs spires produisant le flux à travers le circuit magnétique, la
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section du noyau magnétique étant réduite en conséquence.
En effet, pour garder l'avantage d'une section réduite de noyau magnétique, il faut aug- menter en conséquence le nombre de spires de l'enroulement de déclenchement, Mais de ce fait la résistance effective de ces enroulements devient dans certaines circonstances trop élevée, si chaque noyau porte un enroulement de déclenchement séparé. Une part considérable de cette résistance élevée est due aux nombreuses liaisons frontales. Suivant l'invention on emploie pour cette raison, au lieu de plusieurs enroulements de déclenchement sé- parés, associés chacun à un seul noyau et montés en série, un seul enroule- ment de déclenchement commun à tous les noyaux. De cette manière les jonc- tions frontales situées dans les intervalles entre les noyaux magnétiques sont supprimées.
Les portions de conducteur supplémentaires d'un noyau à l'autre sont au contraire beaucoup plus courtes, d'autant plus si les enroulements courant alternatif ont une forme telle que les noyaux sont proches l'un de l'autre, donc si les enroulements sont constitués par du cuivre plat avec spires disposées côte à côte.
Le dessin représente une forme de réalisation de l'invention, en coue dans la figure 13 et en vue en plan dans la figure 14. La coupe de la figure 13 correspond à la ligne de coupe A-B de la figure 14. La dispo- sition comporte trois noyaux annulaires 11, 12, 13 portant chacun un enrou- lement courant alternatif composé de deux spires 14, 15, 16. L'enroulement 14 sur le noyau 11 et l'enroulement 15 sur le noyau 12 ne sont pas représen- tés dans la figure 13, pour plus de clarté. Ces enroulements, de même que l'enroulement 16, spnt de préférence en rubans métalliques, -par exemple rubans de cuivre,pour obtenir une construction la plus serrée possible.
Les con- ducteurs courant alternatif 19 et 20 sont reliés par des cosses de câble 17 et 18 à l'enroulement 16. Les raccords des enroulements 14 et 15 sont de la même forme. L'enroulement courant continu 22 comporte également deux spi- res. Cet enroulement couvre les trois noyaux 11, 12, 13 de même que l'enrou- lement de déclenchement commun 21, dont la longueur.est relativement réduite à cause de la construction serrée dont question. Sa résistance est par con- séquent inférieure à la résistance totale de trois enroulements de déclen- chement séparés montés en série, et cette résistance peut de cette manière être maintenue sous la limite supérieure admissible.
REVENDICATIONS
1 Dispositif de protection différentiel pour redresseurs de courant,particulièrement pour transformateurs à contacts, avec un disposi- tif comparant le courant alternatif alimenté au courant continu émis et dé- clenchant le dispositif de protection, caractérisé en ce que les courants à comparer (Jg et il ou,13 - figures 4 et 5) constituent directement le flux traversant les circuits magnétiques fermés (Rl, R2, R3 - figures 2 à 4), sur lesquels est monté un enroulement de déclenchement (Al ou A2 ou A3).