CH621895A5 - - Google Patents

Description

La présente invention a pour objets un procédé de synthèse d'une onde de tension dans un circuit reliant une source de courant à une charge, à l'aide d'un cycloconvertisseur comprenant plusieurs voies unidirectionnelles réglables de circulation de s

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courant ainsi qu'un cycloconvertisseur à commutation automatique pour la mise en œuvre du procédé.

Les études initiales portant sur les cycloconvertisseurs ont été réalisées en Allemagne au cours des années 1930, à l'aide de tubes à arc dans des vapeurs de mercure, en vue de la transformation de l'énergie à 50 Hz en énergie à 16 % Hz, destinée aux moteurs de traction électrique sur rails. Bien qu'un travail considérable de mise au point ait été entrepris, les applications des cycloconvertisseurs ont été limitées jusqu'à une période très récente, étant donné le coût excessif de l'appareillage.

L'application principale proposée des cycloconvertisseurs a été la conversion des fréquences des circuits d'alimentation. L'élément essentiel d'un cycloconvertisseur est l'appariement de redresseurs à déphasage réglé, montés en sens inverse et en parallèle, avec modulation du déclenchement afin que le signal transmis soit alternatif. La fréquence de sortie est habituellement inférieure à la fréquence de l'alimentation. En général, on a utilisé des cycloconvertisseurs dans des applications dans lesquelles la fréquence d'entrée ou de sortie est variable ou constante.

Une caractéristique essentielle des cycloconvertisseurs connus et de leurs applications réside dans le fait qu'il s'agit toujours d'un cycloconvertisseur qui fournit l'énergie utilisée par la charge à partir des sources de tension et de courant qui alimentent le cycloconvertisseur. Autrement dit, c'est le cycloconvertisseur qui fournit l'énergie à la charge.

La présente invention a pour but de créer un procédé de synthèse d'une onde de tension à partir de tensions d'une source externe, par exemple des lignes d'un réseau électrique, ainsi qu'un cycloconvertisseur pour la mise en œuvre de ce procédé permettant la superposition de la tension synthétisée aux tensions existant dans les lignes du réseau comme onde de signal destinée à être propagée par les lignes du réseau de telle manière que le cycloconvertisseur n'ait besoin de fournir lui-même plus qu'une petite fraction, au maximum, de l'énergie qui doit être fournie à la charge.

Les caractéristiques du procédé et du cycloconvertisseur selon l'invention apparaissent dans les revendications 1 et 4.

Selon l'invention, l'onde de tension qui est synthétisée dans le cycloconvertisseur transmet une fraction insignifiante de l'énergie totale à la charge; la source externe au cycloconvertisseur transmet la plus grande partie de l'énergie à la charge. Les tensions d'alimentation du cycloconvertisseur peuvent provenir de la source externe qui transmet l'énergie à la charge ou d'une autre source. Le courant de la charge circule dans le cycloconvertisseur mais, comme il est provoqué par des tensions extérieures au cycloconvertisseur, ce courant ne tend pas à présenter une corrélation avec l'onde de tension synthétisée dans le cycloconvertisseur. C'est surtout à cet égard que l'invention se distingue nettement de toutes les applications connues de la technologie des cycloconvertisseurs.

On peut facilement apprécier l'importance de cette distinction par considération d'une application particulière à titre d'exemple. Dans cette application, un cycloconvertisseur assure la synthèse d'une onde de tension monophasée qui est superposée aux tensions des trois phases d'un réseau d'alimentation en énergie électrique. Cette tension superposée est appliquée par injection entre le point commun du secondaire monté en étoile du transformateur de sous-station et le neutre mis à la masse qui est associé à toutes les phases du réseau d'alimentation. La tension superposée est utilisée essentiellement pour l'addition à la tension normale d'alimentation d'un signal destiné à représenter une information numérique aux points desservis par le réseau de distribution; voir le brevet suisse N° 598722 qui décrit un procédé de communication à l'aide d'une onde composite sur une ligne de transport d'énergie alimentée en courant alternatif.

Le courant qui circule dans le cycloconvertisseur est, dans ce cas, le courant neutre du réseau de distribution. Il est déterminé par le déséquilibre des charges reliées aux trois phases et, en conséquence, sa phase est totalement imprévisible. En fait, ce courant neutre comprend des contributions importantes au troisième harmonique et il peut donc s'écarter beaucoup d'une onde simple à 50 Hz de phase inconnue.

La forme d'onde de tension ajoutée aux tensions triphasées doit avoir un déphasage bien déterminé par rapport aux tensions d'alimentation du réseau de distribution. Il est donc avantageux que l'onde de tension d'entrée du cycloconvertisseur soit tirée des tensions qui alimentent le réseau de distribution et que les déphasages inconnus dans le cycloconvertisseur lui-même soient évités.

On doit cependant noter que le présent procédé peut s'appliquer à des cycloconvertisseurs dans lesquels existent des déphasages inconnus. Les considérations importantes portent sur le déphasage qui peut être toléré; si des tensions individuelles de signalisation étaient appliquées à chaque phase à la place de l'injection d'une tension monophasée dans le neutre, une certaine incertitude sur le déphasage du signal superposé pourrait être tolérée.

Une autre considération repose sur les caractéristiques de sécurité qui doivent être incorporées au cycloconvertisseur. Dans l'application précitée, le cycloconvertisseur constitue un élément conducteur relié au neutre du réseau de distribution électrique. Tout le courant du neutre doit passer dans le cycloconvertisseur ou dans un circuit protecteur de shunt. Dans le cas d'un défaut du réseau de distribution, des courants dont l'intensité peut approcher 10000 A peuvent apparaître dans le neutre et il est nécessaire que la continuité soit maintenue pour le courant afin qu'il n'apparaisse pas de tensions excessives entre une phase et le neutre dans le réseau de distribution. L'absence d'une telle caractéristique de sécurité peut provoquer l'application de tensions excessives aux abonnés, dans certains types de conditions de défaut, si bien que l'appareillage présent chez l'abonné peut être détruit.

Lorsque le cycloconvertisseur transmet l'énergie à la charge, comme dans les applications connues, l'onde de courant est déterminée par l'onde synthétisée dans le cycloconvertisseur et par l'impédance de la charge. Il résulte du présent procédé que l'onde de courant n'est pas déterminée par l'onde produite par le cycloconvertisseur et les passages à zéro du courant ne sont pas corré-lés aux passages à zéro de la tension d'alimentation du cycloconvertisseur. La technologie de déclenchement diffère donc nettement de celle des cycloconvertisseurs connus. Des formes d'exécution du procédé et du cycloconvertisseur selon l'invention ont pour objet ce déclenchement et le circuit protecteur ou de sécurité.

Habituellement, on utilise le cycloconvertisseur pour la synthèse d'une onde sensiblement sinusoïdale. Il n'est pas obligatoire que la forme synthétisée par un cycloconvertisseur soit sinusoïdale et, dans l'application précitée dans laquelle l'onde synthétisée est utilisée simplement pour la superposition d'informations numériques aux tensions existantes des phases, on peut utiliser une onde quelconque qui peut être détectée de façon satisfaisante et qui ne perturbe pas l'utilisation prévue à l'origine des tensions des phases.

L'appareillage du présent cycloconvertisseur devient minimal, étant donné l'utilisation possible d'une tension d'une seule source pour le cycloconvertisseur.

Toutes les caractéristiques décrites dans le cas d'une tension d'une seule source peuvent être étendues au cas dans lequel les cycloconvertisseurs sont alimentés par plusieurs tensions de source d'alimentation, les spécialistes notant facilement que l'extension nécessite simplement la reproduction du circuit de commande destiné à assurer la circulation réglée du courant dans un plus grand nombre de voies.

Des formes d'exécution de l'invention seront décrites, à titre d'exemple, en se référant aux dessins sur lesquels :

la fig. 1 est un schéma électrique d'un cycloconvertisseur utilisé pour la superposition d'une onde de tension voulue aux tensions des trois phases d'un réseau de distribution électrique, avec un circuit protecteur garantissant l'intégrité du neutre dans le

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cas d'un défaut entre phase et neutre dans le circuit d'alimentation ou d'une panne d'une partie quelconque du cycloconvertisseur;

la fig. 2 représente les relations tension/courant qui existent au cours des commutations, compte tenu du fait qu'une transition idéale ne peut pas être obtenue en pratique et qu'il existe un certain angle fini de recouvrement au cours de toute transition de commutation;

la fig. 3 est un diagramme synoptique d'un circuit logique de commutation destiné au déclenchement de thyristors triodes à blocage inverse, utilisés pour la réalisation d'un premier mode de réalisation de l'invention ;

la fig. 4 est un schéma partiel, en partie sous forme synoptique, d'un circuit logique destiné à transmettre des signaux logiques qui indiquent que le courant dans le cycloconvertisseur est excessif;

la fig. 5 est un autre schéma partiel, en partie sous forme synoptique, d'un circuit destiné à créer des signaux logiques indiquant que la tension entre le neutre mis à la masse dans le réseau de distribution et le point commun du secondaire en étoile du transformateur de sous-station est excessive;

la fig. 6 est un schéma, en partie sous forme synoptique, du circuit de déclenchement des thyristors triodes à blocage inverse de shunt, soit sous la commande des signaux logiques créés par les circuits des fig. 4 et 5, soit en fonction de l'utilisation prévue, et la fig. 7 est un diagramme synoptique représentant plusieurs voies de circulation de courant et le sens du courant dans les diverses voies, dans le cycloconvertisseur.

Sur la fig. 1, on a représenté le secondaire en étoile 2, 3 et 4 d'un transformateur de sous-station, avec son point commun 1. Le secondaire 2, 3,4 fournit les phases A, B et C du courant alternatif à des charges externes La, Lb et Le portant les références 5, 6 et 7, respectivement. Le primaire non représenté de ce transformateur est excité par une source d'énergie externe, non représentée. Pour les besoins de la présente description, on peut donc considérer le secondaire 1, 2, 3, 4 comme source d'énergie externe qui fournit le courant alternatif triphasé aux charges externes 5, 6, 7.

Une tension d'entrée ou de modulation est fournie au cycloconvertisseur, décrit ci-dessous, par l'intermédiaire d'un transformateur de modulation 8. Son primaire est excité par la tension qui existe entre les phases B et C du secondaire du transformateur de sous-station. Dans la réalisation pratique, il est avantageux que cette tension d'entrée provienne de la source qui alimente le primaire du transformateur de sous-station, car cette source présente moins de distorsions en cas de défauts du réseau d'alimentation. Cependant, pour simplifier l'illustration, on a indiqué sur la fig. 1 que la tension provenait des phases B et C du secondaire 1,2, 3, 4 du transformateur de sous-station.

Lorsque le transformateur de modulation 8 est considéré comme partie intégrante du présent cycloconvertisseur, il n'existe qu'une seule tension d'entrée. Cependant, il existe trois voies de courant, à savoir une branche dite de shunt qui ignore la tension d'entrée et qui est placée au milieu du secondaire du transformateur 8, et deux autres constituant une branche supérieure et une branche inférieure tirant leur tension de la moitié supérieure ou de la moitié inférieure du transformateur 8. Comme indiqué sur la fig. 1, la prise centrale du secondaire du transformateur 8 est reliée à un point 10 qui représente le neutre du réseau de distribution alimentant les charges 5, 6, 7 et qui est mis à la masse commune.

Chacune des trois branches susmentionnées comporte deux voies unidirectionnelles de circulation de courant, chaque paire de voies formant un trajet bidirectionnel de circulation de courant. Chaque voie comporte un thyristor 12, 15, 22, 25, 32, 35 dont les gâchettes sont désignées par 13, 16, 23, 26, 33 et 36. Une diode 11, 14,21, 24, 31, 34 est branchée en série avec chaque thyristor. Ces diodes forment des détecteurs de courant dans les voies individuelles, cette fonction étant décrite ci-après.

Les thyristors 12, 15,22, 25, 32, 35 sont donc montés par paires, en parallèle et en sens inverse dans les trois branches reliées au secondaire du transformateur 8. La branche supérieure et la branche inférieure sont reliées au secondaire du transformateur 8 par l'intermédiaire d'un fusible 20 ou 30. Les extrémités opposées des six voies unidirectionnelles sont reliés à un conducteur commun qui lui-même est relié au point commun 1 du secondaire en étoile 2, 3,4 du transformateur de sous-station. On notera donc que le courant entre le point commun 1 et le neutre 10 passe par les voies unidirectionnelles, reliées par paires pour former des voies bidirectionnelles, du présent cycloconvertisseur, l'énergie restant toutefois fournie aux charges 5, 6, 7 directement par la source externe moyennant le secondaire 2, 3,4 du transformateur de sous-station. On notera également qu'une commande appropriée des thyristors 22, 25, 32, 35, notamment, auxquels est fournie une tension d'entrée par le transformateur de modulation 8, permettra, comme décrit plus loin, de créer une onde de tension synthétisée qui est introduite dans le réseau de distribution entre le point commun 1 et le neutre 10. Ces fonctions seront décrites plus tard.

La partie gauche de la fig. 1 représente un circuit de dérivation de courant qui écarte le courant entre le point commun 1 et le neutre 10 des branches à voies unidirectionnelles du cycloconvertisseur et forme donc un court-circuit réglable pour celles-ci. Le circuit de dérivation comporte en particulier deux thyristors 41 et 51, le thyristor 41 et ses éléments associés 42 à 49 ainsi qu'une tension de commande 40 étant prévus pour le passage d'un courant négatif, et le thyristor 51 et ses éléments associés 52 à 59 ainsi qu'une tension de commande 50 étant prévus pour le passage d'un courant positif.

Il convient d'adopter certaines conventions de sens positif et négatif. Faisant référence à la fig. 1, il faut noter que le courant au point commun 1 du secondaire en étoile 2, 3, 4 du transformateur de sous-station, à partir du neutre 10 mis à la masse, est considéré comme déterminant le sens positif du courant.

On peut considérer avantageusement que le neutre 10 mis à la masse, représenté par la prise centrale du secondaire du transformateur de modulation 8, constitue le potentiel zéro. Le sens de la polarité du potentiel est déterminé par adoption de la convention selon laquelle, lorsque deux voies parallèles transmettent des courants en sens opposés dans le cycloconvertisseur, le courant commute vers la voie qui est alimentée par le potentiel le plus positif du transformateur de modulation 8.

Une fois adoptée une convention relative à la valeur absolue et au sens des potentiels, on peut considérer qu'une courbe de tension a une pente positive lorsque le potentiel augmente algébriquement au cours du temps; ainsi, une source de tension de pente positive transmet une tension de polarité positive qui croît en valeur absolue lorsque le temps croît ou transmet un potentiel négatif qui diminue en valeur absolue au cours du temps.

Le circuit de dérivation de courant possède deux fonctions, à savoir la dérivation de courant intentionnelle lorsque le cycloconvertisseur est hors de marche, et la dérivation de courant en vue d'une protection lorsqu'un défaut apparaît dans le circuit d'alimentation ou lorsque le cycloconvertisseur est en panne. La description du circuit de dérivation de courant et de ses fonctions est à sa place ici, car les éléments de ce circuit participent au fonctionnement du cycloconvertisseur lui-même.

La mise intentionnelle en dérivation de courant peut commencer dans le cas qui existe au moment où aucun signal synthétisé n'est transmis au réseau de distribution, c'est-à-dire lorsque le cycloconvertisseur est inopérant. A ce moment, les thyristors 41 et 51 sont tous deux constamment déclenchés par des tensions appliquées en 40 et 50, fournies par pile ou batterie et qui sont décrites plus en détail en référence à la fig. 6. L'utilisation de tels circuits à alimentation par pile ou batterie assure le déclenche5

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ment des gâchettes même lorsque le circuit d'alimentation n'a pas fonctionné pendant un certain temps. Ces sources d'alimentation sont isolées par rapport au réseau d'alimentation en énergie et sont maintenues à pleine charge automatiquement lorsque les lignes du réseau fonctionnent.

Lorsque la formation et la transmission de signaux synthétisés doivent commencer, c'est-à-dire lorsque le cycloconvertisseur doit être utilisé pour appliquer une onde de tension synthétisée entre le point commun 1 et le neutre 10, un circuit logique de commande (décrit dans la suite) transmet des signaux aux gâchettes 13 et 16 de la branche de shunt; les signaux 40 et 50 sont alors supprimés. Ces opérations préparent simplement le cycloconvertisseur. Il peut apparaître que cette précaution est superflue car les thyristors 41 et 51 forment une voie analogue à la branche de shunt. Cependant, il s'agit d'une caractéristique importante car les thyristors 13 et 15 sont de type inverseur et les thyristors 41 et 51 ne le sont pas.

Les thyristors inverseurs se caractérisent par la propriété de provoquer la disparition rapide des porteuses après l'arrêt de la conduction, en l'absence d'un courant de déclenchement de gâchettes. Cette caractéristique de disparition rapide du courant appliqué à la charge n'est pas sans contrepartie et, en général, les thyristors triodes à blocage inverse capables de transmettre des courants de très forte intensité ne sont pas disponibles sous forme de thyristors inverseurs. Les thyristors 41 et 51 doivent pouvoir supporter le courant de défaut jusqu'à ce qu'il soit interrompu par le disjoncteur de sous-station et, en conséquence, ils peuvent transmettre un courant nettement supérieur à celui que transmettent les thyristors 12 et 15.

En ce qui concerne la fonction protectrice du circuit de dérivation de courant, le présent cas dans lequel le cycloconvertisseur applique une onde de tension voulue entre le neutre 10 mis à la masse du réseau de distribution et le point commun 1 du secondaire 2, 3,4 du transformateur de sous-station en étoile est un exemple de cas dans lequel il est essentiel que le courant continue à circuler, que le cycloconvertisseur continue à fonctionner convenablement ou non.

Lorsque, en cas de défaut entre la phase et le neutre, le courant du neutre doit augmenter excessivement, il est possible que le cycloconvertisseur cesse de fonctionner convenablement. Le courant normal de phase d'un exemple de transformateur de sous-station a une valeur nominale d'environ 400 A, mais le transformateur est destiné à supporter les forces magnétiques associées à des courants qui atteignent 25 fois environ cette valeur. Ainsi, il peut arriver qu'un défaut puisse provoquer une augmentation du courant du neutre jusqu'à 10000 A. Pour des considérations de rentabilité, il n'est pas réaliste de prévoir un cycloconvertisseur capable de supporter de tels courants tout en continuant à fonctionner dans les conditions normales.

Il ne faut pas que la tension entre le neutre mis à la masse et le point commun du transformateur puisse augmenter excessivement. En pratique, cette tension ne doit pas dépasser 5% environ de la tension phase/neutre du réseau d'alimentation afin que la protection normale contre les surtensions ne soit pas déclenchée de façon erronée. Un dispositif automatique de protection doit donc assurer la formation d'une voie pour le passage du courant de défaut du neutre avant que la tension entre le neutre et le point commun du transformateur en étoile atteigne une valeur correspondant à 5% de la tension phase/neutre.

La suppression des courants excessifs demandée au cycloconvertisseur en cas de défaut du réseau d'alimentation est assurée par le circuit protecteur de dérivation. Les deux thyristors 41 et 51, qui ne sont pas obligatoirement du type inverseur, sont utilisés pour la formation d'une voie de shunt en cas de courant excessif dans le neutre.

Le déclenchement des thyristors 41 et 51 peut imposer un court-circuit dans le cycloconvertisseur, persistant jusqu'à l'inversion du courant dans le thyristor du cycloconvertisseur, alors à

l'état conducteur. Ce temps de conduction ne peut pas dépasser environ 1/100 s dans le cas des circuits de distribution à 50 Hz. Le courant dans le thyristor du cycloconvertisseur est limité, pendant ce temps de court-circuit, par l'impédance du transformateur de modulation; les caractéristiques du thyristor, qui est ouvert pendant un seul demi-cycle, peuvent lui permettre de résister à cette surcharge. En général, la possibilité de transmission du courant pendant un seul demi-cycle est supérieure de 10 fois la possibilité de transmission d'un courant en régime permanent, dans le cas où ce courant est appliqué à pleine charge au cours d'un demi-cycle.

Dans les conditions de défaut, le courant peut atteindre 10000 A. Le courant dans le cycloconvertisseur est constamment contrôlé par un transformateur de courant 9 et la charge associée 9' (fig. 1 et 4). Lorsque le courant dans le cycloconvertisseur dépasse 100 A, le circuit protecteur de dérivation est commandé et préserve l'intégrité de la voie pour le courant neutre. Cette limite de 100 A est choisie compte tenu de ce que la valeur dépasse nettement les courants prévus de déséquilibre et de ce que cette intensité est permise par les caractéristiques tension/temps des sources de tensions qui assurent la commutation du cycloconvertisseur. Le signal logique responsable du déclenchement du circuit protecteur est créé dans un circuit représenté sur la fig. 4.

Le circuit de la fig. 4 comprend deux comparateurs 60 et 61, l'un qui détecte un courant positif excessif et l'autre un courant négatif excessif, dans le transformateur de courant 9 et la charge associée 9'. Les signaux des deux comparateurs parviennent à une résistance 62 de charge commune qui est reliée à la tension positive d'alimentation.

Un niveau 1 apparaît à la sortie de chaque comparateur lorsque le courant contrôlé est compris entre les limites normales de fonctionnement du cycloconvertisseur. Une situation de surintensité provoque l'apparition d'un signal 0 à la sortie du comparateur qui détecte le courant de cette polarité. Comme les sorties sont reliées à une résistance de charge commune, la fonction obtenue au point 63 (qui est relié à un élément du circuit de la fig. 6) est essentiellement du type intersection et donne un niveau logique 0 dans tous les cas de surintensité.

Les voies de passage du courant provenant du transformateur de modulation 8 comportent les fusibles séparés 20 et 30. Une ouverture de l'un quelconque des fusibles pourrait provoquer une interruption de la voie parcourue par le courant neutre sans qu'un courant excessif circule dans le cycloconvertisseur. Ainsi, un déclenchement supplémentaire d'urgence de la voie de dérivation est nécessaire afin que la voie parcourue par le courant neutre existe toujours. Les signaux logiques de déclenchement du mode de dérivation, permettant cette éventualité, peuvent être créés par un circuit du type représenté sur la fig. 5.

Sur la fig. 5, une chaîne 70 de commutateurs unidirectionnels commandés, ayant une résistance série 71, est montée entre le point commun 1 du secondaire du transformateur de sous-station, monté en étoile, et le neutre 10 mis à la masse du réseau de distribution. Lorsque le trajet du courant dans le cycloconvertisseur est interrompu par le claquage d'un fusible, la tension entre ses deux points commence à croître dans le cas où le cycloconvertisseur tente de transmettre un signal; lorsque la différence de tensions atteint un niveau préréglé déterminé par la chaîne de commutateurs (256 V dans le cas de l'appareil dans lequel ce circuit a d'abord été utilisé), la chaîne de commutateurs présente un claquage. Dans ce dernier cas, la totalité de la tension apparaît aux bornes de la résistance série 71, si bien que le courant circule dans la chaîne de commutateurs et la résistance 72 et dans deux diodes Zener 73 montées dos à dos. Ces diodes établissent un niveau de tension de + 9 V, le signe étant déterminé par le sens de la différence de potentiels de 256 V.

Naturellement, le signal de déclenchement du circuit protecteur de dérivation qui est créé doit avoir un sens et une polarité uniformes par rapport au potentiel de la masse. A cet effet, le

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signal de +9 V est utilisé pour la commande de l'un ou l'autre de deux isolateurs optiques 74 et 75. Le signal 76 ou 77 de l'isolateur optique se trouve à un niveau logique 0 en présence d'une surtension.

Ainsi, trois cas correspondent à la création d'un niveau logique 0, dans les circonstances dans lesquelles le circuit de dérivation doit être déclenché, étant donné le fonctionnement anormal du cycloconvertisseur. L'un de ces niveaux 0 apparaît à la sortie commune 63 des comparateurs 60 et 61 de la fig. 4 et les deux autres signaux 0 apparaissent aux sorties 76 et 77 des isolateurs optiques 74 et 75 de la fig. 5. Les signaux sont combinés par une porte réunion/intersection 80 représentée sur la fig. 6, indiquant le circuit qui permet la création des signaux appliqués en 40 et 50 de la fig. 1.

Sur la fig. 6, le signal de sortie de la porte intersection/négation 80 transmet le signal d'horloge d'une bascule 81 de type D. L'un quelconque des niveaux logiques correspondant à une situation d'alarme provoque la transmission d'un signal positif par cette porte et la bascule 81 est établie par le signal reçu à l'entrée d'horloge. Cette bascule reste établie jusqu'à son rétablissement manuel.

En l'absence d'une formation de signaux synthétisés, il est souhaitable que la dérivation soit entretenue par déclenchement continu des thyristors 41 et 51 de la fig. 1. A cet effet, une porte réunion/négation 82 est destinée à combiner le signal d'urgence provenant de la bascule 81 avec un niveau logique qui est un 0 en présence de signaux et un 1 en l'absence de signaux. Ce niveau logique qui spécifie la présence ou l'absence d'une formation de signaux synthétisés est créé en fonction du trafic des informations à transmettre, par un circuit extérieur au présent cycloconvertisseur.

Les signaux de déclenchement appliqués en 40 et 50 (fig. 1) peuvent être créés par une technique utilisant une source auxiliaire d'énergie, comme indiqué sur la fig. 6. Des circuits séparés sont nécessaires pour les courants des deux polarités, et on a représenté le circuit pour le courant négatif. Dans ce cas, une alimentation d'énergie 83, alimentée par la tension du réseau, est montée de manière flottante par rapport au réseau à 50 Hz, étant donné l'isolement assuré à l'entrée du transformateur de l'alimentation en énergie. Un transistor 86 et sa résistance 85 limitant le courant règlent la commande de la gâchette du thyristor 41.

Une alimentation 87 à pile ou batterie (qui est aussi flottante par rapport au réseau à 50 Hz) est maintenue à pleine charge par des diodes 84 et 88 et une résistance 89 limitant le courant. Lorsque l'énergie à 50 Hz transmise à l'alimentation 83 disparaît, l'alimentation flottante 87 constitue une source auxiliaire pour l'alimentation 83, par l'intermédiaire de la diode 90.

Lors de la transition vers la voie de dérivation, la chute de tension dans le sens direct de la diode et du thyristor montés en série tend à être suffisamment supérieure à la chute de tension dans le sens direct des thyristors de dérivation qui n'ont pas de diodes en série, pour que le courant passe préférentiellement dans la dérivation au cours du demi-cycle initial dans lequel la conduction persiste, après retrait de l'excitation de gâchette de la voie de shunt.

Lorsque le circuit de dérivation a été excité, le déclenchement des thyristors de dérivation 41, 51 est maintenu jusqu'à la suppression du défaut et continue jusqu'au retrait lorsqu'une signalisation est tentée à nouveau. Cependant, l'intégrité du neutre doit être conservée même en cas de défaut du signal de déclenchement de dérivation. Ainsi, il est important de considérer la séquence d'événements apparaissant dans le cas d'un défaut lorsque le signal de déclenchement transmis aux thyristors de dérivation est absent.

Lorsque la voie du courant du neutre a été interrompue, la tension entre le neutre 10 mis à la masse et le point commun 1 du secondaire en étoile du transformateur commence à augmenter. Dans ce cas, le circuit protecteur comprenant les composants 40 à

49 ou 50 à 59 commence à fonctionner, car l'augmentation de tension favorise le passage du courant dans le sens positif ou négatif respectivement. Dans la description, on suppose que l'élévation de tension favorise la circulation du courant dans le sens positif comme indiqué à la partie extrême gauche de la fig. 1. (Un demi-cycle plus tard, le courant passe en sens opposé dans l'autre jeu de composants.)

Lorsque le potentiel du point commun 1 du secondaire du transformateur tombe au-dessous du potentiel nul du neutre 10 mis à la masse, toute la chute de potentiel apparaît aux bornes de la chaîne de commutateurs unidirectionnels. De manière analogue, le courant circule dans la diode 55 et charge le condensateur 56 à une tension qui diffère de moins de 1 V de cette chute totale de potentiel. Lorsque la tension aux bornes de la chaîne des commutateurs atteint un niveau nettement supérieur à la tension obtenue lors d'une modulation normale par le cycloconvertisseur, mais inférieure à 5% de la tension phase/neutre du réseau de distribution, la chaîne de commutateurs présente un claquage, pour une valeur d'environ 300 V dans le cas d'un réseau d'alimentation à 13 kV.

Lorsque la chaîne 58 présente un claquage, le courant circule dans la diode 59, la chaîne 58 de commutateurs, la gâchette du thyristor 54, la diode 53, la résistance 52 qui sert temporairement à limiter le courant et essentiellement la gâchette du thyristor 51. Le courant dans la gâchette du thyristor 54 provoque le déclenchement de ce thyristor, si bien que le condensateur 56 transmet une forte impulsion de courant dans le thyristor 54 et à la gâchette du thyristor 51. Il est important qu'un courant important de déclenchement parvienne à la gâchette du thyristor 51 car cette caractéristique doit permettre le passage du courant de défaut qui augmente très fortement. Lorsque le thyristor 51 conduit, la tension tombe et le courant cesse de passer dans la chaîne des commutateurs.

Il n'est pas nécessaire que les thyristors 51 et 41 soient de type inverseur, mais ils doivent pouvoir transmettre tout le courant de défaut qui peut atteindre 10000 A, et ils doivent pouvoir transmettre ce courant jusqu'à ce que le disjoncteur du circuit ait supprimé le défaut. Avant refermeture du circuit sur le défaut, des précautions sont prises afin que les gâchettes des thyristors 51 et 41 soient redéclenchées à l'état bien conducteur par les signaux appliqués en 50 et 40.

Dans des applications de l'invention, on peut utiliser au moins deux thyristors en parallèle afin qu'ils supportent la charge appliquée aux thyristors 51 et 41. Dans ce cas, la résistance 52, la diode 53 et la source externe 50 d'un courant positif ainsi que les composants correspondants pour le courant négatif sont utilisés en double. Ainsi, le signal de conduction des gâchettes est convenablement divisé et un défaut d'une voie ne détruit pas les possibilités d'utilisation de la voie parallèle.

Une résistance 57 est placée aux bornes du condensateur 56, et une résistance analogue 47 est placée du côté de courant négatif du circuit protecteur. La résistance est destinée à retirer la charge qui s'accumule dans ces condensateurs lors du fonctionnement du cycloconvertisseur. Les condensateurs 56 et 46 assurent la continuité pour le passage du courant dans le neutre lorsque le cycloconvertisseur fonctionne, c'est-à-dire durant un bref intervalle après l'inversion du sens du courant, le thyristor qui doit conduire ensuite n'étant pas encore déclenché à ce moment. Cette caractéristique est décrite en détail dans la suite et on l'indique uniquement pour attirer l'attention sur le fait que la constante de temps des éléments RC 57, 56 et 47, 46 ne doit pas être faible par rapport à la période de l'onde à 50 Hz, afin que ces condensateurs puissent remplir leur rôle.

Au moment où ces condensateurs assurent la continuité pour le courant neutre, il apparaît une discontinuité très nette de tension dont l'amplitude est comparable à la valeur de crête de la tension de modulation. On peut évidemment toujours choisir l'utilisation d'un trajet capacitif séparé pour l'alimentation du s

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cycloconvertisseur de la manière voulue lorsqu'il apparaît des caractéristiques nuisibles à la suite de l'utilisation des condensateurs 46 et 56 dans ce double rôle; une telle dérivation est représentée sur la fig. 1, par un condensateur 100 et une résistance 101. (Cette résistance limite simplement le courant de crête de décharge.)

Il faut noter que le circuit protecteur est tel que les techniques normales de nouvelles fermetures peuvent être adoptées même lorsque les sources extérieures de déclenchement reliées aux bornes 40 et 50 deviennent inopérantes. Les caractéristiques de sécurité du cycloconvertisseur sont telles que le retour au mode de signalisation n'a pas lieu avant retour à la normale suivant une utilisation; ainsi, il n'existe aucun risque pour que les thyristors du cycloconvertisseur se surchargent à la suite d'essais successifs de nouvelles fermetures.

On doit choisir les caractéristiques de transmission d'une tension inverse et des thyristors 41 et 51 afin qu'elles correspondent aux potentiels présents dans le circuit protecteur, mais les tensions ne doivent pas être excessives, car le claquage inverse assure la protection ultime de l'appareil.

On considère maintenant la commutation des voies de courant dans un cycloconvertisseur. Dans la description des transitions d'une voie à une autre lors du fonctionnement d'un cycloconvertisseur, il est commode de considérer la voie antérieure et la voie postérieure, pour toute transition, comme étant les voies dans lesquelles le courant circule avant et après la transition respectivement.

Les ondes de tension de pentes positive et négative ont été définies en fonction de l'augmentation de la diminution du potentiel, dans le sens algébrique, lors du passage du temps. On peut aussi définir une transition de pente croissante ou décroissante, selon que la pente de l'onde de tension qui alimente la voie postérieure est supérieure ou inférieure à la pente de la courbe de tension qui alimente la voie antérieure.

Dans les transitions idéales d'un cycloconvertisseur, on peut souhaiter assurer les transitions d'une voie à une autre au moment où les amplitudes des sources de tensions qui alimentent les deux voies sont égales; ce principe implique la réalisation instantanée de la transition. Cependant, les transitions physiques réalisables nécessitent une certaine période finie.

Comme la transition idéale implique une transition d'une voie alimentée par une courbe de tension d'une pente à une voie alimentée par une courbe de tension de pente différente à un moment où les amplitudes de tension sont égales, il est clair que les tensions des sources excitatrices ne peuvent pas rester égales au cours d'une transition qu'on peut obtenir en réalité.

Au cours de la transition progressive d'une voie à une autre, il doit exister un état dans lequel le courant circule à la fois dans la voie antérieure et dans la voie postérieure. Dans une transition à commutation automatique, c'est-à-dire dans le cas considéré ici, la transition tentée doit être déclenchée au moment où les relations entre les potentiels sont favorables à la transition voulue; en outre, ces conditions favorables doivent se maintenir pendant la période de la transition et au-delà, jusqu'à la disparition des porteuses dans le thyristor qui a cessé de conduire.

Les conditions d'obtention d'une transition satisfaisante doivent être résumées de la manière suivante. Lorsque le courant persiste dans le sens positif au cours de la période de transition, on peut réaliser la transition uniquement pour que sa période soit comprise entièrement avant ou après le moment auquel les amplitudes des tensions d'entrée des deux voies deviennent égales, suivant que la transition voulue correspond à une pente décroissante ou croissante; de manière analogue, lorsque le courant reste négatif au cours de la période de la transition, cette période doit être comprise entièrement avant ou après le moment auquel les tensions d'entrée des deux voies deviennent égales, selon que la transition voulue a une pente croissante ou décroissante. Une transition voulue dans toute autre condition ne donne pas satisfaction. En particulier, il faut noter que, lorsque l'état de transition est établi dans des conditions qui sont favorables à la transition et lorsque les conditions de potentiels deviennent ultérieurement défavorables à la transition, avant l'obtention de l'état final ou postérieur, les porteurs de charge ayant disparu dans le thyristor de la voie antérieure, l'état antérieur est rétabli.

La durée de l'état de transition est évidemment importante. Elle est déterminée par l'intensité du courant qui doit être redirigé et par l'inductance des circuits le long desquels la commutation doit être réalisée. En général, la durée de la période de transition est proportionnelle au produit du courant circulant dans le circuit et de l'inductance de fuite du transformateur qui constitue la source de tension. (Cette dernière inductance a tendance à prédominer par rapport à toutes les autres inductances, dans la plupart des cas rencontrés en pratique.)

La population de porteurs de charge, dans un thyristor triode à blocage inverse, disparaît lorsque le courant cesse de circuler pourvu qu'aucun signal de déclenchement ne soit maintenu à la gâchette. On peut aussi utiliser l'expression durée de rétablissement pour désigner la période pendant laquelle la population des porteurs de charge diminue à un niveau tel qu'une conduction non déclenchée n'est pas provoquée lorsque des conditions de potentiels favorables à la conduction sont rétablies.

Les thyristors triodes de type inverseur sont destinés à réduire cette durée de rétablissement et ils sont normalement préférables dans un cycloconvertisseur. Les durées de rétablissement publiées habituellement par les fabricants concernent le cas où le courant est supprimé brutalement à partir de sa valeur nominale. Les durées de rétablissement à partir de niveaux plus faibles de conduction sont plus faibles de manière correspondante.

Dans le cas d'un cycloconvertisseur selon l'invention qui ne fournit que très peu d'énergie à une charge externe, le courant dans un thyristor triode peut cesser parce que le courant appliqué ultérieurement disparaît; dans ce cas, la population des porteurs de charge est relativement faible au moment où la conduction cesse et la durée de rétablissement est inférieure à celle qui est indiquée par les informations du fabricant. Ce cas se présente lorsque le passage à zéro du courant coïncide avec le moment de la transition idéale d'une source de tension à une autre.

Heureusement, ce cas existe lorsque le courant disparaît au moment où on pourrait souhaiter réaliser une transition d'une source de tension à une autre, car, dans le cas contraire, il pourrait arriver que les conditions de potentiels favorables à une transition ne puissent pas être réalisées avant le moment où les amplitudes des sources de tensions dans les deux voies deviennent égales, si bien que, après égalité de ces tensions, les conditions de la transition pourraient à nouveau être défavorables du fait de l'inversion du sens du courant.

Pour assurer la continuité du circuit parcouru par le courant au voisinage du passage à zéro, la solution de ce problème est extrêmement simple. Il faut simplement détecter, à l'aide des diodes 11, 14, 21, 24, 31, 34 en série avec les thyristors 12, 15, 22, 25, 32, 35, le moment où le courant dans une voie conductrice devient nul et, à ce moment, ne pas former une voie de circulation du courant dans le cycloconvertisseur, pendant une courte période. Il faut noter que les condensateurs 46 et 56 (ou la résistance 101 et le condensateur 100) assurent la continuité pour le courant pendant une courte période. On examine maintenant des aspects quantitatifs de cette situation.

La chute de tension dans le sens direct dans un thyristor et une diode montés en série doit être de 1,4 V lorsque le courant disparaît. La conduction en sens opposé dans le cycloconvertisseur ne peut pas commencer tant que la tension n'a pas atteint 1,4 V en sens opposé; ainsi, il doit exister un changement de 2,8 V entre le moment où le courant cesse et le moment où la conduction reprend. Lorsque le courant dans le neutre du réseau de distribution est supposé avoir une valeur nominale de 100 A (qui est beaucoup trop importante en réalité), juste après le passage à zéro

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du courant, celui-ci croît linéairement à une vitesse égale à 377 x 141,4=5,33-104 A/s. Pendant une courte période de t secondes après le passage à zéro, le même transfert de charge atteint 2,66-10412 C. Lorsque la capacitance du condensateur 56 ou 46 de la fig. 1 est de 10~6 F, la variation de 2,8 V est réalisée en une période de 10,26-10~6 s.

Dans le circuit réel utilisé pour la protection contre un courant possible de défauts, les condensateurs 56 et 46 ont une valeur de 32 |iF chacun; ainsi, une pause de 56 us est possible entre le moment où le courant cesse et le moment où la conduction doit être déclenchée en sens inverse, même lorsque le courant du neutre atteint 100 A.

Une telle valeur élevée du courant de déséquilibre est peu probable dans le cas d'un réseau d'alimentation destiné à un courant par phase inférieure à 400 A. Ainsi, le retard qui peut être permis entre la cessation du courant dans un sens et le déclenchement nécessaire de la conduction dans l'autre sens peut sans doute dépasser cette valeur de 56 jìs.

De la même manière que l'introduction de la capacité en shunt avec la charge active normale du cycloconvertisseur peut éviter le problème potentiellement délicat de la commutation lorsque le passage à zéro du courant coïncide avec le moment où les amplitudes des deux sources de tensions deviennent égales, la même capacité peut éliminer le déclenchement d'un thyristor immédiatement après un passage à zéro du courant. Cette caractéristique permet une simplification importante du circuit logique de déclenchement et elle est utilisée dans le mode de réalisation avantageux de l'invention, bien que d'autres dispositifs permettant la résolution de ces problèmes soient aussi décrits.

Lorsqu'on considère le fonctionnement détaillé du cycloconvertisseur, on se rapporte aux fig. 1 et 2. La fig. 2 représente un type d'onde qu'on peut souhaiter appliquer entre le neutre 10 mis à la masse et le point commun 1 du secondaire 2, 3, 4 en étoile du transformateur de sous-station. En particulier, les transitions indiquées sont celles qui peuvent apparaître au début ou à la fin des signaux à transmettre lorsque le signal provenant du transformateur de modulation 8 est en cours d'introduction ou de suppression. Dans un mode de réalisation pratique, le transformateur de modulation 8 a une inductance finie de fuite qui modifie les formes d'onde représentées sur la fig. 2.

L'onde de la fig. 2 comprend des demi-sinusoïdes à la fréquence du réseau, introduites dans un signal qui a par ailleurs une tension nulle. On peut noter qu'il n'existe pas de différences essentielles dans le calcul réalisé à la transition entre une demi-sinusoïde de tension de polarité positive et le signal de tension nulle, et la transition entre une demi-sinusoïde de tension de polarité positive et une demi-sinusoïde de tension de polarité négative. De manière analogue, la commutation entre une demi-sinusoïde de tension de polarité négative et le signal d'amplitude nulle ressemble à la commutation entre une demi-sinusoïde de tension de polarité négative et une demi-sinusoïde de polarité positive. Ainsi, on ne trace pas la figure qui représenterait le type de transition apparaissant lorsque le courant commute entre la branche supérieure et la branche inférieure du cycloconvertisseur de la fig. 1.

Sur la fig. 2, les détails de la commutation apparaissent dans le cas d'un courant en avance, indiqué à la partie supérieure et d'un courant en retard, indiqué à la partie inférieure. (Ces formes d'onde correspondent au cas dans lequel une inductance modeste se trouve dans la branche de shunt.) Les ondes de courant IA, IR et de tension TA, TR sont portées sur la fig. 2. Dans la représentation de ces types d'ondes, on a adapté uniformément la convention selon laquelle le courant dans le sens positif et la tension de polarité positive sont représentés au-dessus de l'axe.

Les règles de commutation satisfaisantes, indiquées précédemment, peuvent être résumées, pour les courbes de la fig. 2, par indication du fait que la transition d'un segment au suivant, lors de la synthèse de l'onde voulue, ne peut être effectuée qu'à des moments où le segment antérieur de l'onde de tension TA, TR est plus éloigné de l'onde de courant IA, IR que le segment postérieur de l'onde de tension. Ainsi, lors des essais de réalisation de l'onde voulue, il faut que la gâchette du thyristor qui doit former la nouvelle voie soit déclenchée au moment convenable, et ce moment se trouve soit avant soit après le point de transition idéal E', L', afin que les potentiels qui existent puissent être favorables à la transition voulue. Les ondes de tension obtenues diffèrent donc marginalement des ondes des transitions idéales. Les détails des ondes, au voisinage des points de transition, sont indiqués dans les détails agrandis de la fig. 2. Le moment où le thyristor doit être déclenché est indiqué par une référence E ou L, selon que le déclenchement doit être antérieur ou postérieur à la transition idéale E' ou L'.

La durée en secondes de cette période de transition est sensiblement égale au produit du courant qui doit être commuté (en ampères) et de l'inductance de fuite du transformateur de modulation 8 (en henrys).

La fig. 2 représente un ovale divisé en deux à chaque point de modification d'une voie de courant pour la transition d'une source de tension à une autre dans le cycloconvertisseur, et à chaque point de changement de sens du courant. Les références apparaissant dans les moitiés gauche et droite de chaque ovale indiquent le thyristor, référencé sur la fig. 1, qui doit transmettre le courant avant et après la variation de l'acheminement du courant. Il faut noter, dans l'ovale associé à l'inversion de polarité du courant, que c'est le chiffre des unités de la référence du thyristor qui change; dans le cas des transitions d'un segment au suivant de la courbe de tension synthétisée, c'est le chiffre des dizaines de la référence du thyristor qui change. (Cette caractéristique est évidemment due à la convention adoptée pour la numérotation des composants, comme indiqué pour la fig. 1.)

Dans le cas d'un réacheminement du courant d'un thyristor à un autre à la suite d'inversion du sens du courant, la désignation du déclenchement par les lettres E et L ne convient pas, et on l'a donc indiquée par la lettre T qui indique un retard, à côté de chaque ovale. Les notations E, L et T correspondent à celles qui sont utilisées sur la fig. 3 qui correspond au circuit logique qui convient au déclenchement commandé des thyristors, en vue d'un codage de données numériques.

Etant donné que le courant peut être élevé à proximité d'une transition d'un segment de l'onde au suivant, il est essentiel que le déclenchement avant le point idéal de transition soit suffisamment précoce pour que la transition ait été réalisée et pour que les porteurs de charge du thyristor éteint aient disparu avant que les potentiels alimentant les deux voies de transition deviennent défavorables à celle-ci.

Bien que la description qui précède décrive avec précision les conditions qui doivent exister pour que la transition voulue ait lieu, on doit considérer maintenant la description d'un procédé plus rapide permettant la simplification du circuit logique de commutation. Les règles de commutation indiquées dans la suite se rapportent aux conditions de la fig. 7 sur laquelle les voies portent les références A, B, C, le sens du courant étant indiqué par les signes + et —.

Selon cette convention, on peut considérer que la logique de commutation est la suivante.

1. On choisit un temps suffisamment en avance par rapport à la transition idéale pour qu'on soit sûr que la transition voulue soit satisfaisante lorsque la transition voulue appartient à la catégorie qui doit être déclenchée avant la transition idéale.

2. On supprime toute impulsion de déclenchement à ce moment.

3. On choisit la voie A, B ou C, qui doit conduire ultérieurement (il faut noter que cette opération n'implique pas un changement de voie).

4. On empêche le déclenchement dans le sens + (ou — ) pour toutes les voies lorsque le courant au moment où le déclenchement a été interrompu était dans le sens + (ou — ).

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5. Après un retard fixe (50 (xs par exemple), on déclenche le passage du courant dans le sens qui prévalait lorsque le déclenchement a été supprimé selon le paragraphe (2), pour la voie dans laquelle la conduction est voulue, et on maintient le déclenchement sauf indication contraire comme indiqué dans le paragraphe (6).

6. Lorsque tous les courants disparaissent, on inhibe tout déclenchement pendant un temps fixe de retard (par exemple 50 jis) au-delà du moment de la disparition; ensuite, on déclenche les thyristors pour le courant de la voie voulue, dans les deux sens (il faut noter que, lorsque le courant disparaît pendant la période d'absence de déclenchement selon le paragraphe (2), la période d'absence de déclenchement est poursuivie jusqu'à ce que la période fixe suivant le moment de disparition des courants ait été réalisée).

7. On maintient la prohibition du déclenchement, commencée au paragraphe (4) jusqu'au premier des deux événements suivants:

a) déclenchement selon le paragraphe (6), seconde partie,

b) conduction établie dans la voie voulue et dans aucune autre voie.

8. Lorsque le courant a été établi dans la voie voulue et dans aucune autre voie, on assure le déclenchement pour les deux sens + et — dans cette voie et on maintient jusqu'au paragraphe (1).

La réalisation pratique d'un tel circuit logique de commutation assure le succès de toutes les transitions qui peuvent être réalisées avant le moment où les tensions alimentant les deux voies qui participent à la transmission deviennent égales. Les transitions qui ne peuvent pas avoir lieu tant que ces deux tensions ne sont pas devenues égales sont aussi terminées au moment le plus tôt possible.

Dans la description qui précède, on note que le condensateur 100 et la résistance associée 101 de limitation de courant assurent la continuité pour le courant transmis par l'extérieur à tout moment où le cycloconvertisseur ne conduit pas. En outre, il faut noter que, lorsque la voie de dérivation ne contient pas d'inductance, tant qu'un courant circule dans cette voie, la chute de tension dans le cycloconvertisseur est de 1,4 V, correspondant à la chute de tension dans le sens direct dans le thyristor et la diode. Dans la branche conductrice, cette tension de 1,4 V est formée de la tension du transformateur et de la chute de tension dans l'inductance de fuite.

Lorsque le courant cesse de passer dans la voie de dérivation, la tension aux bornes du cycloconvertisseur change brutalement; la tension aux bornes de l'inductance de fuite est libre de retomber avec des oscillations amorties dans le circuit qui comprend la combinaison série de l'inductance de fuite de la branche conductrice, la capacité de dérivation et la résistance limitant le courant. Dans ce cas, des oscillations peuvent apparaître à la sortie du cycloconvertisseur.

De manière analogue, lorsque le courant s'inverse, il apparaît une courte période dans laquelle aucun courant ne circule dans le cycloconvertisseur et, à ce moment, le courant circule dans le condensateur de dérivation 100 si bien qu'une tension apparaît aux bornes de ce condensateur. Lorsque la conduction reprend, une oscillation amortie peut à nouveau apparaître dans le circuit série qui comprend l'inductance de fuite de la branche conductrice, le condensateur 100 de dérivation et la résistance 101 qui limite le courant. Dans ce cas, on observe des oscillations de la tension de sortie du cycloconvertisseur; l'amplitude initiale de cette oscillation est proportionnelle à la pente de l'onde de courant lorsque celle-ci passe à zéro.

Il peut être souhaitable que les oscillations de la tension de sortie du cycloconvertisseur soient éliminées; on peut obtenir cette caractéristique par utilisation pour le facteur Q de surtension du circuit série, d'une valeur inférieure à 2. Cette condition est à peu près satisfaite lorsque

(L/C)1/2/R<2

R étant la valeur de la résistance limitatrice de courant 101 en ohms, C la capacité en farads du condensateur 100 de dérivation et L l'inductance de fuite en henrys du côté secondaire du transformateur de modulation. L'inductance de fuite du secondaire peut être obtenue à partir de la réactance en pourcentage, pour le transformateur, à l'aide de la relation

T ,, .10 (tension secondaire de sortie kV)2

L (henrys) = —(reactance %) —

2nf (puissance normale, kVA)

L'une des caractéristiques qui distingue le cycloconvertisseur décrit de ceux déjà connus est le fait que le courant qui circule n'est pas déterminé par les tensions appliquées au cycloconvertisseur et par l'impédance commandée par ce dernier. Dans ce cas, le courant est appliqué par une source externe et il est essentiel que le courant circulant dans les thyristors individuels soit détecté afin que la commutation puisse être convenable. On note sur la fig. 1 qu'une diode 11, 14, 21,24, 31, 34 est montée en série avec chaque thyristor 12,15, 22,25, 32, 35 du cycloconvertisseur. Une chute de tension d'au moins 0,7 V apparaît aux bornes de cette diode dans la mesure où un courant circule dans cette voie. Cette tension persiste tant qu'il existe un courant dans le sens direct, même lorsque l'amplitude de ce courant est très faible. Lorsque le courant dans le sens direct cesse de circuler, la tension aux bornes de la diode série tombe brutalement à zéro. Ainsi, la présence ou l'absence de cette chute de tension aux bornes de la diode (ou aux bornes d'une résistance non représentée montée en parallèle à la diode) peut constituer un indicateur sensible de la circulation ou non du courant dans le thyristor série.

On peut être tenté de mesurer la chute de tension dans le sens direct dans le thyristor lui-même pour la détection du courant. Cependant, cette caractéristique ne donne pas satisfaction dans l'application considérée dans laquelle une chute de tension est observée tant qu'un courant de gâchette circule dans le thyristor. Ainsi, lorsque le thyristor est mis à l'état conducteur alors qu'un courant ne circule pas, on peut supposer que le courant n'a pas cessé de circuler. C'est pour cette considération qu'on a décidé de placer une diode série constituant un dispositif de contrôle du courant.

Il faut noter que la mesure des chutes de tension aux bornes des diodes qui sont montées en série avec les thyristors des cycloconvertisseurs de la fig. 1 nécessite l'utilisation d'alimentations isolées. Cependant, on peut obtenir une certaine réduction des critères auxquels doivent satisfaire les alimentations en énergie car l'alimentation du capteur qui détecte le courant dans un sens peut aussi être utilisée pour la gâchette du thyristor qui transmet le courant en sens opposé dans la même branche du cycloconvertisseur. Ainsi, une alimentation en énergie, qui flotte au potentiel de l'extrémité avec le fusible 20 du secondaire du transformateur 8, peut être utilisée pour la détection du courant dans le thyristor 22 par mesure de la chute de tension dans la diode 21 et peut aussi assurer le déclenchement du thyristor 25 par sa gâchette 26.

Les spécifications du fabricant n'indiquent pas normalement l'intensité du courant pour laquelle on peut considérer que le thyristor a cessé de conduire. Dans le cas des thyristors inverseurs utilisés dans le mode de réalisation décrit, la charge nominale continue est de plusieurs centaines d'ampères et on note que le niveau d'extinction de ces dispositifs, en l'absence d'une excitation de gâchette, est d'environ 10 mA. La technique de détection de la circulation du courant par mesure de la chute de tension dans une diode série se révèle à peu près 10 fois plus sensible que nécessaire.

Bien que la détection de la conduction dans les divers thyristors et le déclenchement des gâchettes de ceux-ci, dans le conver5

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tisseur, soient réalisés pour un certain nombre de niveaux isolés de potentiel, il est souhaitable que les décisions logiques soient réalisées à un potentiel commun. A cet effet, tous les résultats de la détection des courants sont référencés par rapport à la masse, à l'aide d'isolateurs optiques ou optrons, et les signaux de déclenchement sont d'abord créés par rapport à la masse, puis transférés au potentiel de référence auquel ils sont utilisés par les isolateurs optiques.

Les isolateurs optiques utilisés à cet effet sont bien connus des spécialistes. Ils comprennent essentiellement une diode photoé-missive commandée par un signal au niveau auquel il est créé, et un phototransistor qui fonctionne à un potentiel de référence auquel le signal doit être transmis. Ils existent dans le commerce sous forme d'un composant unique ayant un circuit tampon supplémentaire incorporé. On doit choisir soigneusement ces dispositifs afin que les temps de réponse et les sensibilités donnent satisfaction dans le cas de signaux de faible niveau.

Dans le présent mode de réalisation avantageux, une tension monophasée d'entrée alimente le cycloconvertisseur et les transitions entre les trois voies possibles sont assurées au voisinage du passage à zéro de l'onde de tension d'entrée. On peut noter qu'une information numérique peut être codée, avec un tel circuit, de diverses manières, et on peut même, en principe, utiliser cet appareil pour la représentation de l'information numérique sous forme ternaire, puisqu'il existe en fait trois voies possibles de passage du courant.

Le schéma de codage qui est sans doute le plus simple comprend la commutation entre les bras supérieur et inférieur du cycloconvertisseur, de manière prédéterminée, afin qu'une modulation à phase pure soit appliquée à la tension de la phase A. Le codage peut alors être réalisé par avance de la phase pour un 1 et par retard pour un 0. Evidemment, des cycles de commutation plus compliqués peuvent être utilisés le cas échéant.

La fig. 3 est un diagramme synoptique qui représente les éléments essentiels du circuit logique de commande qui permet la représentation des données numériques sous forme d'ondes en avance ou en retard, pour la phase A. La sélection d'une technique plus complexe de codage, pour une mise en œuvre pratique, est due à des considérations combinées de simplicité du récepteur et d'efficacité identique pour la signalisation dans les trois phases. Cependant, comme la technique plus élaborée de codage n'apporte rien de nouveau pour la description de l'invention, on ne considère que la technique la plus simple afin d'indiquer les caractéristiques essentielles.

A titre illustratif, il est commode de considérer que la fig. 3 comprend deux parties: une partie gauche dans laquelle diverses quantités logiques nécessaires à l'entrée du circuit de décision sont créées, et une partie droite qui représente le circuit de décision lui-même. L'isolation optique assurant le transfert des données d'un potentiel de référence à un autre est simplement indiquée par des rectangles non référencés.

Dans la partie supérieure gauche de la fig. 3, les quantités logiques I21,I31,124 et I34 sont créées. Elles proviennent de la détection du courant dans les diodes 21, 31, 24 et 34 respectivement, par mesure de la chute de tension aux bornes de la diode (ou dans une résistance montée en parallèle), et transmission au potentiel logique de l'information, sous la forme de la circulation ou non du courant, par l'intermédiaire des optrons où isolateurs optiques. Ainsi, les quantités I21,131,124 et I34 correspondent à des signaux de niveaux logiques.

Une bascule 100' de polarité indique le sens final de circulation du courant. Lorsque le courant circule dans le sens positif, la bascule est mise à l'état P. Lorsque le courant cesse de circuler, la bascule reste à cet état qui est le plus récent et ne change d'état que lorsque le courant commence à circuler dans un thyristor en sens opposé. Le rôle de cette bascule est de conserver une information sur le sens de la circulation du dernier courant. Lorsque le courant cesse de circuler, il n'est pas nécessaire qu'un thyristor soit déclenché pendant le temps où les condensateurs 46 et 56 (fig. 1) assurent la continuité pour la circulation du courant, et le sens dans lequel le thyristor doit ensuite être déclenché et préservé par l'état de la bascule de polarité.

Le circuit logique représenté sur la fig. 3 assure les transitions d'une branche à une autre au voisinage du passage à zéro de pente négative pour la tension d'entrée du cycloconvertisseur. A cet effet, un détecteur 102 de passage àzèro de pente positive assure le déclenchement de trois compteurs 104, 106 et 108 de retard. Le compteur 104 de retard antérieur fixe un retard inférieur à 1/100 s, si bien que les transitions antérieures peuvent être déclenchées au temps E avant le passage à zéro de pente négative qui suit. Le compteur 106 de retard postérieur fixe un retard supérieur à 1/100 s, si bien que les transitions postérieures peuvent être déclenchées au-delà du passage à zéro de pente négative qui suit. La sélection des retards est déterminée par la nécessité de la réalisation de la transition raisonnablement près de la transition idéale, mais, dans le cas de la transition antérieure, il faut que le déclenchement précède le passage à zéro d'un temps suffisant pour que la transition soit garantie et que les porteurs de charge du thyristor qui cesse de conduire aient disparu avant l'établissement de conditions défavorables de potentiels.

Un circuit 108 fixe aussi un retard de décalage pour le signal de sortie du détecteur de passage à zéro de pente positive; dans ce cas, ce retard assure la réalisation de la transition en réponse à un déclenchement postérieur, avant que les données soient déplacées dans un registre 110 de données, en vue du bit suivant qui doit être codé.

Une porte réunion/négation 112 reçoit les signaux I21,131,124 et I34 et crée une impulsion positive lorsque le courant cesse de circuler dans le cycloconvertisseur. Cette condition commande un retard d'environ 50 us (indiqué fonctionnellement par le bloc 114) avant qu'un thyristor puisse être déclenché; pendant ce temps, la continuité du courant dans le neutre du réseau de distribution est maintenue par les condensateurs 46 et 56 de dérivation.

La partie restante du circuit logique est destinée au déclenchement des thyristors convenables, comme indiqué dans la partie droite de la fig. 3. Le signal de sortie du registre 110 de données détermine quelle est la branche qui doit conduire. La décision concernant la transition de la branche supérieure à la branche inférieure ou inversement détermine la pente de la transition; la pente de la transition et le sens du courant indiquent que le déclenchement doit être réalisé de façon précoce ou tardive.

Le circuit logique représenté déclenche le thyristor convenable au moment convenable afin que la transition nécessaire au codage de données soit réalisée, compte tenu des inversions de courant; le fait qu'une impulsion de déclenchement soit aussi appliquée au thyristor qui conduit lorsqu'aucun changement d'état n'est réalisé n'a pas de signification particulière.

Le circuit logique représenté transmet aussi une impulsion de déclenchement au thyristor convenable après le retard de 50 (xs qui suit l'inversion du sens du courant neutre.

On peut noter que le circuit de la fig. 3, représenté à titre illustratif, ne comprend que les composants essentiels nécessaires à la compréhension de l'invention. Ainsi, des caractéristiques telles que le circuit d'inhibition qui interrompt tout déclenchement des thyristors du cycloconvertisseur en cas de défaut du réseau, ne sont pas représentées sur la fig. 3, ces caractéristiques n'étant pas essentielles à la mise en œuvre du présent circuit, mais étant classiques, si bien qu'on ne les représente pas.

On peut utiliser un circuit logique qui préserve la continuité de circulation du courant dans le cycloconvertisseur sans utilisation du condensateur de dérivation, dans la courte période proche du moment d'inversion du courant Des problèmes se posent lorsque le passage à zéro du courant et le passage à zéro de la tension coïncident pratiquement. Les décisions logiques nécessaires sont cependant d'une complexité bien supérieure, et cette procédure n'est pas recommandable.

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Il arrive que le passage à zéro du courant et le passage à zéro de la tension coïncident exactement et soient en sens opposés et,

dans ce cas, les transitions ne peuvent pas être fiables. Dans d'autres cas, la réalisation de la transition voulue à chaque cas peut être difficile, mais l'état atteint est prévisible. 5

Il faut essentiellement que tout court-circuit imposé au transformateur de modulation apparaisse d'une façon telle qu'il ne puisse persister pendant plus de quelques degrés, à un moment où la tension excitatrice diminue. Le problème se pose lorsqu'on doit former une voie de circulation du courant de sens opposé au io moment où la transition de tension n'a pas été terminée; la solution de ce problème comprend le déclenchement d'un thyristor de l'une des deux branches conductrices qui transmet le courant en sens opposé. La branche convenable qui doit être choisie est celle pour laquelle l'onde de tension de la source a un sens tel que la is tension excitatrice pour le court-circuit diminue.

Dans le cas d'un cycloconvertisseur qui injecte un courant dans le neutre d'un réseau de distribution, les inversions de courant à proximité du passage à zéro de la tension par une technique quelconque qui évite le condensateur de dérivation est très diffi- 20

cile, car il faut ou bien qu'une tension alternée d'entrée soit transmise au cycloconvertisseur, ou bien qu'une capacité locale soit appliquée à l'une des phases qui pourrait être utilisée pour la suppression des cas pour lesquels la modulation devient très imprévisible.

Bien qu'on ait décrit celle-ci dans une application particulière, elle convient à d'autres situations. Dans le mode de réalisation décrit précédemment, le cycloconvertisseur ajoute un même signal à chacune des trois tensions triphasées du réseau de distribution. Les spécialistes peuvent noter que trois cycloconvertisseurs peuvent être utilisés pour l'application de signaux séparés aux phases séparées d'une alimentation. De manière analogue, un cycloconvertisseur peut être utilisé pour la superposition d'un signal à un circuit monophasé.

On peut aussi utiliser le cycloconvertisseur pour la mise en œuvre d'un transformateur de déphasage à commande électronique. Un tel dispositif peut par exemple convenir à l'équilibrage de charges de plusieurs génératrices entraînées par un arbre commun.

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2 feuilles dessins

Claims (11)

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1. Procédé de synthèse d'une onde de tension dans un circuit reliant une source de courant à une charge, à l'aide d'un cycloconvertisseur comprenant plusieurs voies unidirectionnelles réglables de circulation de courant, caractérisé en ce qu'il consiste à connecter électriquement le cycloconvertisseur avec une source externe (1,2, 3,4) d'énergie en courant alternatif et avec au moins une charge externe (5, 6,7) recevant l'énergie électrique fournie par la source externe, cette connexion étant réalisée de telle sorte que l'intensité et la phase du courant qui est fourni à la charge externe par la source externe et qui passe à travers le cycloconvertisseur sont déterminées par la tension de la source externe et par l'impédance de la charge externe, à fournir une onde de tension à l'entrée du cycloconvertisseur, à commander sélectivement les états de conduction des voies unidirectionnelles de circulation de courant pour créer une onde de tension synthétisée et à superposer cette onde de tension synthétisée à la tension existant dans le circuit reliant la source externe à la charge externe comme onde de signal n'apportant, tout au plus, qu'une petite fraction d'énergie par rapport à l'énergie fournie par la source externe à la charge externe.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite onde de tension d'entrée est dérivée de la tension fournie à la charge externe par la source externe.

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REVENDICATIONS

3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel les voies unidirectionnelles de circulation de courant forment au moins deux paires formant chacune une voie bidirectionnelle de circulation de courant, les voies unidirectionnelles de circulation de courant conduisant lorsqu'elles sont déclenchées et continuant à conduire jusqu'à la cessation du courant, caractérisé en ce que la commande de l'état de conduction de chaque paire de voies unidirectionnelles comprend les étapes suivantes :

une première étape de sélection d'un moment déterminé antérieur à la transition idéale de l'une des voies de conduction de courant à une autre;

une seconde étape de suppression de tout déclenchement audit moment;

une troisième étape de sélection des voies de la première ou de la seconde paire qui doit conduire ensuite;

une quatrième étape d'empêchement du déclenchement dans un sens déterminé pour toutes les voies de paires si le courant, au moment où le déclenchement a été interrompu, circulait dans ce sens;

une cinquième étape, après un retard prédéterminé, de déclenchement du courant dans le sens observé avant la suppression du déclenchement dans la seconde étape, pour les voies de la paire dans laquelle la conduction est voulue, avec maintien du déclenchement sauf ou jusque contre-commande par la sixième étape;

une sixième étape d'abord d'inhibition, si tous les courants disparaissent, de tout déclenchement pendant un temps déterminé au-delà du moment de ladite disparition des courants, puis de déclenchement des voies de la paire voulue dans les deux sens de courant;

une septième étape de maintien de l'empêchement du déclenchement provoqué dans la quatrième étape, jusqu'au premier des deux événements qui sont, d'une part, le déclenchement suivant la seconde partie de la sixième étape et, d'autre part, l'établissement de la conduction dans les voies de la paire voulue et dans aucune autre voie, et une huitième étape de déclenchement dans les deux sens de conduction dans les voies de la paire voulue lorsque le courant est établi dans les voies de la paire voulue et dans aucune autre voie, ce déclenchement étant maintenu jusqu'à une nouvelle première étape.

4. Cycloconvertisseur à commutation automatique pour la mise en œuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs voies unidirectionnelles de courant (11,12; 14,15; 21,22; 24,25; 31, 32; 34, 35) agencées de manière à être commandées sélectivement et disposées par paires, chaque paire de voies formant un trajet bidirectionnel de circulation de courant, les paires étant montées en parallèle les unes aux autres et étant reliées à une source externe d'énergie (1, 2, 3, 4) et à au moins une charge externe (5, 6, 7) afin que l'intensité et la phase du courant passant dans les voies soient déterminées par la tension de la source externe d'énergie et par l'impédance de ladite charge qu'elle alimente, un dispositif (8) destiné à fournir une onde de tension pour chacune des paires de voies unidirectionnelles, et un dispositif (fig. 3) destiné à commander les états de conduction des voies unidirectionnelles de chaque paire de manière à engendrer l'onde de tension synthétisée.

5. Cycloconvertisseur selon la revendication 4, caractérisé en ce que les voies unidirectionnelles sont reliées en série avec la source externe d'énergie et la charge externe.

6. Cycloconvertisseur selon l'une des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que les paires de voies unidirectionnelles comprennent des thyristors (13, 15; 22, 25; 32, 35) montés par paires, en parallèle et en sens inverse.

7. Cycloconvertisseur selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif (9, fig. 4) commandé par l'intensité du courant total passant dans les voies unidirectionnelles et destiné à créer un signal (63) lorsque le courant atteint une valeur prédéterminée, et un dispositif (fig. 6) commandé par ledit signal (63) et destiné à commander une voie bidirectionnelle (41, 51) de circulation de courant connectée en parallèle avec les voies unidirectionnelles commandées sélectivement.

8. Cycloconvertisseur selon la revendication 4, caractérisé en ce que le dispositif (fig. 3) qui règle la conduction des voies unidirectionnelles comprend un circuit de détection (21,24, 31, 34) de la circulation et de l'arrêt de la circulation d'un courant dans chacune des voies unidirectionnelles.

9. Cycloconvertisseur selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit (46,47, 56, 57) destiné à maintenir la continuité de la circulation du courant vers ladite charge, d'une part, lorsque le sens de circulation du courant s'inverse à un moment quelconque dans un segment de l'onde de tension synthétisée par le cycloconvertisseur et, d'autre part, au moment de la transition entre des segments successifs de l'onde de tension synthétisée.

10. Cycloconvertisseur selon la revendication 4, pour la synthèse d'une onde de tension superposée aux tensions des trois phases (A, B, C) d'un réseau de distribution d'énergie électrique alimenté par un secondaire (1, 2, 3,4) en étoile d'un transformateur de sous-station, caractérisé en ce que les voies unidirectionnelles sont montées en série avec le point commun (1) du secondaire du transformateur en étoile de sous-station et le neutre (10) mis à la masse qui est utilisé pour toutes les phases du réseau de distribution.

11. Cycloconvertisseur selon la revendication 10, caractérisé en ce que les voies unidirectionnelles comprennent chacune deux thyristors (12,15; 22; 25; 32, 35) montés en parallèle et en sens inverse, un transformateur de modulation (8) à prise centrale étant destiné à transmettre une onde de tension d'entrée à chaque paire de thyristors, ce transformateur étant excité par une tension dont la phase est celle d'une tension qui existe entre deux phases (B, C) du réseau de distribution, et un dispositif de commande (fig. 3) de la conduction des thyristors dans chaque paire.