EP2289161A1 - Circuit redresseur a forte puissance notamment pour électrolyse de l'aluminium - Google Patents

Circuit redresseur a forte puissance notamment pour électrolyse de l'aluminium

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Publication number
EP2289161A1
EP2289161A1 EP09753921A EP09753921A EP2289161A1 EP 2289161 A1 EP2289161 A1 EP 2289161A1 EP 09753921 A EP09753921 A EP 09753921A EP 09753921 A EP09753921 A EP 09753921A EP 2289161 A1 EP2289161 A1 EP 2289161A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
rectifier
bridge
transformer
rectifier bridge
voltage
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP09753921A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Claude Nicolas
Henri Baerd
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
General Electric Technology GmbH
Original Assignee
Areva T&D SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Areva T&D SAS filed Critical Areva T&D SAS
Publication of EP2289161A1 publication Critical patent/EP2289161A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/02—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal
    • H02M7/04—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/12—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/145—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means
    • H02M7/155—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means using semiconductor devices only
    • H02M7/19—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means using semiconductor devices only arranged for operation in series, e.g. for voltage multiplication
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C3/00—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts
    • C25C3/06—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts of aluminium
    • C25C3/16—Electric current supply devices, e.g. bus bars
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/02—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal
    • H02M7/04—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/06—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes without control electrode or semiconductor devices without control electrode
    • H02M7/10—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes without control electrode or semiconductor devices without control electrode arranged for operation in series, e.g. for multiplication of voltage

Definitions

  • the present invention relates to a high power rectifier circuit especially for the electrolysis of aluminum.
  • the tanks in which the electrolysis of aluminum is carried are traversed by a continuous current of very high intensity of the order of 350,000 amperes for a voltage of 4 volts, many tanks being fed in series. This current value is reached gradually from the start.
  • the high power rectifier circuit could of course be used to power anything other than electrolysis cells, for example electric arc furnaces or plasma generators which also require high power.
  • the tank feed is supplied by the three-phase AC high-voltage power grid R.
  • the three-phase alternating current of the network R passes through a rectifying circuit such as that illustrated in FIG. 1.
  • This circuit comprises, from the three-phase alternating network R, a three-phase transformer or auto-transformer 2 provided on the secondary side with a regulator in charge by sockets (known by the acronym OLTC for "on line tap change"), this secondary powering a three phase rectifier transformer 3.
  • the expression regulator transformer 2 for the transformer or the autotransformer with the regulator in charge will be used later. It should be noted that such a load adjuster mounted at the primary of a transformer increases the design power of the transformer while such a secondary-mounted adjuster would not increase its design power. A secondary regulator of the rectifier transformer 3 would be unrealistic given the current levels. But the adjuster can perfectly be the secondary of the trimmer transformer 2.
  • a three-phase transformer has at least one primary per phase and at least one secondary per phase, these primaries can be mounted for example in a triangle or star.
  • the rectifier transformer 3 comprises two three-phase primary 3.1 connected to the secondary of the regulating transformer and two three-phase secondary 3.2.
  • the two secondary 3.2 of the transformer rectifier 3 are connected to a rectifying bridge 4 dodecaphasic parallel.
  • each three-phase secondary 3.2 is connected to a semiconductor semiconductor semiconductor three-phase bridge and the two bridges are connected in parallel continuous side.
  • Each of the bridges is of the Graetz bridge type.
  • This 12-phase rectifier bridge is represented as having diodes.
  • Self-saturable reactances 5 are inserted between the two secondarys 3.2 of the rectifier transformer 3 and the rectifier bridge 4, making it possible to rapidly adjust the DC voltage, but with a small amplitude to limit the size of the reactances, the adjustment of the large amplitudes being ensured. by the regulator transformer, but in a slower manner and by successive studs.
  • the rectifier bridge 4 supplies direct current, an electrolysis installation or series of electrolysis (not shown specifically) or any other user device 10.
  • Switching means 6 are inserted between the three-phase electrical network R and the primary of the transformer provided with the Adjuster 2.
  • a four-phase thyristor pulse bridge is sometimes used, which makes it possible to dispense with the self-saturable reactances 5 and to reduce the number of taps taken by the adjuster.
  • the thyristors are able to quickly adjust the DC voltage over the entire voltage range from 0 volts, but while consuming a prohibitive reactive power, while the adjuster allows this setting, without reactive power consumption but more slowly.
  • the primary of the regulating transformer 2 may be equipped with a tertiary 8 three-phase connected via protective switch means 9 to a three-phase compensation / filtering battery 7 with one or more branches in parallel, comprising for each branch a capacitor C in series with a inductance L and possibly a damping resistor (not shown).
  • the compensation-filtering battery 7 may be star-shaped, only one branch being shown in FIG. 1.
  • the compensation-filtering battery 7 simultaneously performs the functions of compensation of the reactive power and harmonic filtering.
  • Another compensation-filtering battery of the same type could also be provided at the high voltage level.
  • a single circuit such as that shown in FIG. 1 is not sufficient, even by arranging several thyristors in parallel to form one of the six functional components of the Graetz bridges.
  • Several circuits, called groups, are then used in parallel, these groups being out of phase with each other in order to eliminate the harmonics more completely.
  • phase shifts are usually made at the primary level of the regulating transformers by zigzag couplings.
  • phase shifts are to have to use different regulating transformers, especially at the level of the leakage lines, and requiring more spares.
  • the AC voltage supplied by the regulating transformer 2 increases, saturating the self-saturable reactances 5.
  • the current delivered by the rectifier circuit increases until the self-saturable reactances 5 no longer saturated.
  • the regulator transformer 2 stabilizes.
  • the variations in current delivered by the rectifier circuit due to the three-phase electrical network or to the user device are first controlled rapidly by the self-saturable reactances 5, with a limited amplitude, and then by the regulating transformer 2.
  • the disadvantage of this rectifier circuit is that all the power required by the user device passes through both the trimmer transformer and the rectifier transformer, so that these transformers are very bulky and they can not be in a common tank. This congestion notably poses transport problems at the time of installation.
  • Another disadvantage is that technological limits appear at the fuses of the diodes or thyristors used in the rectifier bridges, these limits being related to the increase of the rectified voltages.
  • Three-phase rectifier circuits with a single transformer associated with at least one rectifier bridge are known.
  • the transformer has two three-phase secondaries, each of them being connected to a thyristor-type hexaphase bridge rectifier.
  • the primary of the transformer is directly connected to the three-phase electricity network. All the power goes through the transformer.
  • the present invention has as its main object to provide a rectifying circuit capable of passing very high power, which does not have the disadvantages of space and cost mentioned below and which allows to deliver variable voltages so as to adjust the current value according to the needs of the user device that it contributes to power.
  • the need for rapid adjustment and in charge of the DC voltage results from variations of the high voltage, at most ⁇ 10%, and variations due to the electrolysis process. about 50 volts, about 5% of the total voltage since all the tanks are in series.
  • the basic idea is to eliminate the regulating transformer and to use several transformers cooperating with rectifier bridges so that the power is distributed between them, the rectifier bridges being connected in series on the continuous side, one being a thyristor and the other or the other diodes, each diode rectifier bridge can operate freewheel and deliver a voltage substantially zero.
  • the present invention proposes a three-phase rectifying circuit comprising two or more transformers intended to be connected in parallel on the primary side to an alternating and secondary electrical network, each having at least one semiconductor rectifier bridge, the rectifier bridges. connected to different transformers being connected in series on a continuous side and being intended to continuously supply a user device.
  • One of the rectifier bridges is thyristors and the remaining rectifier bridges are diodes, the diode rectifier bridge or the set of diode rectifier bridges providing a voltage greater than that provided by the rectifier bridge thyristors. It further comprises a switch means associated with each diode rectifier bridge, comprising a pair of disconnectors, operating in opposition, connected on the DC side to the diode rectifier bridge, making it possible in a freewheeling position to isolate the diode rectifier bridge.
  • thyristor rectifier bridge and, in another position to put it in series with the thyristor rectifier bridge so that the rectifier bridge operates as a rectifier, in the freewheeling position, current flows in one of the disconnectors of the pair which bypassed the rectifier bridge with diodes and not in the other nor in the rectifier diode bridge.
  • a transformer connected to a diode rectifier bridge prefferably equipped with voltage divider means so that the diode rectifier bridge to which it is connected delivers either a full voltage or a fraction of the full voltage.
  • the voltage divider means may comprise a pair of disconnectors, per phase, and the transformer may comprise a primary formed of two identical primary windings, the pair of disconnectors being able to put in series the two primary windings so that the diode rectifier bridge delivers one half of the full voltage or in parallel so that the diode rectifier bridge delivers the full voltage.
  • the voltage divider means may comprise a non-load regulator with two sockets, per phase, mounted at the secondary of the transformer.
  • the transformers have secondary phase shifted by 30 ° by appropriate couplings at their secondary or primary
  • the rectifier bridges may each comprise a first and a second rectifier bridge hexaphase, the first rectifier bridges hexaphase are all mounted in a first series assembly, the second rectifier bridges all being mounted in a second series assembly, the first series assembly and the second series assembly being connected in parallel.
  • a twelve-phase transformer may comprise two primary and two tertiary compensation, the two tertiary compensation being connected in series and feed a single filter compensation battery.
  • the present invention also relates to a set of two rectifier circuits thus characterized, with 12-phase rectifier bridges, in which the transformers of a rectifier circuit are identical to the transformers of the other rectifier circuit and in which the primary of the transformers are out of phase with the current.
  • the present invention also relates to a control precursor of a rectifier circuit thus characterized comprising, to make it work, the steps of: a) connecting the user device to the rectifier circuit and the transformer connected to the thyristor rectifier bridge to the network but not the transformer or transformers connected to a diode rectifier bridge, b) regulating the current flowing in the user device by controlling the thyristors of the thyristor rectifier bridge, c) when the voltage required by the user device exceeds the maximum voltage that can be supplied by the thyristor rectifier bridge, to control thyristors of the thyristor rectifier bridge to minimize the current in the device user, the disconnector which when closed shorts the rectifier bridge with diodes, being open and the other disconnector of the couple being closed, d) connect to the network a transformer connected to a rectifier bridge with diodes, if the transformer connected the diode rectifier bridge is equipped with voltage divider means, the latter being positioned beforehand so that the transformer delivers the voltage
  • the method also includes, for stopping the operation of the rectifier circuit, the steps of: m) controlling the thyristors of the thyristor rectifier bridge to minimize the current in the user device, n) disconnect from the network any transformer connected to a diode rectifier bridge then the transformer connected to the thyristor rectifier bridge o) disconnect the user device from the rectifier circuit.
  • the present invention also relates to the use of a rectifier circuit thus characterized, with as user device one or more aluminum electrolysis cells.
  • the present invention also relates to the use of a set of rectifier circuits thus characterized, with as user device one or more series of aluminum electrolysis cells.
  • the present invention also relates to the use of a method thus characterized with one or more series of aluminum electrolysis cells as a user device.
  • Figure 1 is a diagram of a rectifying circuit of the prior art
  • Figure 2A is a diagram of a first variant of a rectifying circuit of the invention.
  • FIG. 2B is a diagram of a second variant of a rectifying circuit of the invention
  • Figure 3 is a more detailed diagram of the rectifier bridges shown in Figures 2A and 2B
  • FIGS. 4A, 4B illustrate a variant of a primary phase of the transformer connected to a diode rectifier bridge of FIGS. 2A, 2B, this primary being equipped with voltage divider means and being respectively in a series assembly and in a mounting parallel;
  • FIG. 4C illustrates a variant of a secondary phase of the transformer connected to a diode rectifier bridge of FIGS. 2A, 2B, this secondary being equipped with voltage divider means;
  • FIG. 5 shows the shape of the voltage delivered by the rectifier circuit according to the variants of FIGS. 4A to 4C as a function of the mode of operation of the transformer connected to the diode rectifier bridge;
  • FIG. 6A shows another variant of a rectifying circuit of the invention
  • FIG. 6B shows a further variant of a rectifier circuit according to the invention with three transformers connected to rectifier bridges;
  • FIG. 7 is a diagram of a variant of the transformer connected to the thyristor bridge of Figure 6A whose primary are equipped with tertiary;
  • FIG. 8 represents a set of two twelve-phase rectifier circuits (12 pulses) constituting a set with 24 pulses.
  • FIG. 2A schematically shows a first example of a three-phase rectifier circuit according to the invention. It comprises two transformers TR1 and TR2 intended to be connected on the primary side P1, P2 each to the same three-phase AC electrical network R. Secondary side S1, S2, each of the transformers TR1, TR2 is connected to at least one semiconductor rectifier bridge PR1, PR2.
  • the semiconductor rectifier bridges PR1, PR2 are connected in series, they are intended to supply a user device 10, such as one or more series of aluminum electrolysis cells.
  • One of the rectifier bridges referenced PR1 is connected to the positive terminal + of the user device 10, the other rectifier bridge referenced PR2 to the negative terminal.
  • the user device could be different, for example an arc furnace or a plasma furnace.
  • each transformer TR1, TR2 is connected to a single hexaphase rectifier bridge PR1, PR2.
  • each transformer TR1, TR2 comprises a secondary Sl, S2 comprising at least one winding per phase.
  • one of the rectifier bridges PR1 is thyristors Thy and the other referenced PR2 is diode d.
  • diode rectifier bridge is meant a rectifier bridge whose semiconductor components are of the family of diodes or function as diodes. Thus the diodes could be replaced by thyristors controlled so that they function as diodes.
  • a thyristor rectifier bridge means a rectifier bridge whose semiconductor components are in the family of thyristors or function as thyristors.
  • the number of transformer and diode rectifier assemblies may be greater than one as shown in Figure 6B described later.
  • the rectifying bridge PR1 thyristors is intended to provide a voltage whose amplitude is adjustable quickly and charged by the control thyristors.
  • the diode rectifier bridge or bridges are intended to provide a rectified voltage whose amplitude is constant. But this voltage can be changed out of charge or at low load. We will describe the means to obtain this change later.
  • each of the rectifying bridges PR1, PR2 is illustrated. These are classic Graetz bridges hexaphase. Their series assembly is clearly visible. The tensions that feed each of arm of a bridge are alternating voltages out of phase by 60 °.
  • the primers P1, P2 of the transformers TR1, TR2, high voltage side are preferably mounted in a star and the secondary S1, S2, low voltage side, are preferably mounted in a triangle.
  • each transformer TR1, TR2 is connected to the three-phase electrical network R via input switch means II, 12, 13.
  • a switch means associated with the transformer TR1 connected to the rectifier bridge with thyristors PR1 is referenced II, it makes it possible to disconnect it from the network R.
  • the referenced switch means 12, associated with the rectifier bridge with diodes PR2 and connected to a transformer TR2 connected to a rectifier bridge with diodes PR2 makes it possible to operate the rectifier bridge with diodes PR2 in freewheel.
  • the switch means 13 is optional, it makes it possible to disconnect the rectifier circuit R.
  • Each switching means II, 12, 13 comprises a circuit breaker per phase.
  • FIGS. 2A, 2B which represent only one phase, only one of the circuit breakers II, 12, 13 of each of the switch means is seen.
  • the three circuit breakers II, 12, 13 have a common end, the first 13 having its other end connected to the three-phase electrical network R, the second one having its other end connected to the primary P1 of the transformer TR1, the third 12 having its other end connected at primary P2 of transformer TR2. If the circuit breaker 13 is omitted, the common end of the circuit breakers 12 and 13 is connected directly to the network R.
  • a compensation-filtering battery F1, F2 is connected to each tertiary compensation T1, T2.
  • This compensation-filtering battery F1, F2 comprises one or more branches connected in parallel, preferably in a star, each branch comprising in series an inductance L1, L2 and a capacitor C1, C2 per phase and optionally a damping resistor (not represented).
  • Switching means 110, 120 are inserted between each tertiary compensation T1, T2 and each compensation-filtering battery F1, F2.
  • the switch means 110, 120 are formed, for each transformer, a switch per phase.
  • FIG. 2B The variant of FIG. 2B is identical to that of FIG. 2A, except that on the network side R only the switch means 13 for disconnecting the rectifier circuit of the network R are present. It comprises a circuit breaker 13 phase, mounted between the network R and the primary P1, P2 transformers TR1, TR2. Only one circuit breaker per phase is sufficient.
  • the switch means for operating each PR2 diode rectifier bridge freewheel is directly associated with the diode rectifier bridge PR2 because it placed on the DC side. It comprises a pair of disconnectors 14, 15 whose disconnectors operate in opposition.
  • One of the disconnectors 14 is mounted between the rectifying bridge PR2 with diodes, on the user device side 10, and the negative terminal of the user device 10 and the other disconnector 15 is mounted between the rectifying bridge PR2 with diodes, reclining bridge side PR1 to thyristors, and the negative terminal of the user device 10.
  • the PR2 diode rectifier bridge or bridges as a whole provide a voltage greater than that provided by the rectifier bridge with thyristors PR1. This reduces the reactive power, the harmonics returned to the network and the undulation of the DC currents.
  • FIGS. 4A, 4B show two configurations of a primary phase of the transformer TR2 connected to the rectifier bridge PR2 diodes illustrated in Figures 2A, 2B.
  • Each phase of the primary comprises two windings P2, P2 'capable of being connected either in series or in parallel by switching means MC.
  • the windings are identical.
  • the switching means MC are formed of two inverter switches 16 and 16 '.
  • FIG. 4C shows a secondary phase of transformer TR2 connected to the bridge rectifier PR2 diode shown in Figures 2A, 2B and it comprises a secondary winding S2 equipped with switching means MC of the type off-load controller with two sockets, taking the form of an inverter switch 17.
  • This off-load regulator two outlets 17 allows in one position to divide the maximum voltage that can deliver the transformer TR2 and in another position to the transformer TR2 to deliver the full voltage.
  • One of the sockets is at one end of the secondary winding S2 and the other taken along the secondary winding S2 in the middle. Such an arrangement makes it possible to have either the full voltage or a fraction of the full voltage, this fraction of the full voltage may be half or not.
  • the switching means MC allowing, in one position, to divide in half the voltage delivered by the transformer TR2 connected to the rectifier bridge with diodes PR2 and, in another position to let it deliver the full voltage, are not mandatory on transformers connected to diode rectifier bridges as the rectifier circuit several transformers connected to diode rectifier bridges as in Figure 6B.
  • FIG. 5 such a rectifier circuit in the example of Figures 2A, 2B or 6A (which will be described in more detail later).
  • the user device 10 is connected to the rectifier circuit which is the subject of the invention, on the rectifier bridge side PR1, PR2.
  • the transformer TR1 connected to the thyristor rectifier bridge PR1 will be connected to the network R, but not the transformer TR2 connected to the rectifier bridge with diodes PR2.
  • the transformer TR2 connected to the diode rectifier bridge PR2 is positioned to deliver a half voltage if it conforms to that of the variants of FIGS. 4A, 4B or 4C.
  • Switches II, 13 of the switch means are open in the configurations of Figures 2A, 2B.
  • the switch 12 is open in the configuration of Figure 2A.
  • the disconnector 14 is open and the disconnector 15 is closed in the configuration of Figure 2B.
  • transformers TR1, TR2 and the rectifier bridges PR1, PR2 are sized so that the rectifier bridge with diodes PR2 cooperating with the switching means MC in their variant of FIGS. 4A, 4B or 4C can deliver either a full voltage a voltage of half, the full voltage being equal to about two thirds of the maximum voltage Umax necessary for the user device 10, and the half voltage being equal to about one third of the maximum voltage Umax.
  • the voltage delivered by the thyristor rectifier bridge PR1 can be increased from 0 to approximately 1/3 of Umax as a function of the thyristor control.
  • the thyristors of the rectifier bridge PR1 are controlled so as to reduce as much as possible the current in the user device 10.
  • circuit breaker 12 is closed at time t2.
  • circuit breaker 13 is opened, then the disconnector 15, then the disconnector 14 is closed, then the circuit breaker 13 at time t2.
  • the transformer TR2 connected to the diode rectifier bridge PR2 is then energized.
  • the rectifier bridge with diodes PR2 delivers a half tension.
  • the supply voltage of the user device 10 is about 1/3 of Umax.
  • the thyristors of the rectifier bridge PR1 are controlled so as to minimize the current in the user device 10.
  • the circuit-breaker 12 is opened, the transformer TR2 is positioned so that it delivers the full voltage by acting on the switching means MC or on the off-load regulator with sockets 17 and then closing the circuit breaker 12 at time t3.
  • the circuit breaker 13 is opened, the transformer TR2 is positioned to deliver the full voltage by acting on the switching means MC or on the off-load regulator with sockets 17, then, the disconnector 14 remaining closed and the disconnector 15 open, the circuit breaker 13 is closed at time t3.
  • the rectifier bridge with diodes PR2 then delivers about 2/3 of Umax.
  • the thyristors of the thyristor rectifier bridge PR1 can then be controlled so that the supply current of the user device can increase.
  • the transition control sequence of the transformer TR2 from its voltage half to its full voltage must be done as quickly as possible so as to retain, if necessary, the counter electromotive force in the user device 10. If this counter-electromotive force has Too much decreased due to too long downtime, it may be necessary to add a "recharge" sequence of this counter-electromotive force using a lower voltage range before moving to the desired higher voltage range.
  • the transformer TR1 and the thyristor rectifier bridge PR1 are still active. They allow the DC voltage to be set quickly and continuously in the user device 10 in all ranges. The transition from one range to the other at the level of the diode rectifier bridges takes place without load.
  • the ever-present thyristor rectifier bridge TRl ensures fast adjustment and charging with limited reactive power.
  • the transformer TR2 and the diode rectifier PR2 operate in three modes corresponding to the three voltage ranges: freewheel providing a rectified voltage close to 0 volts, at half tension and at full voltage.
  • the thyristors of the thyristor rectifier bridge PR1 are first controlled to minimize the current in the user device.
  • a transformer connected to a diode rectifier bridge acting on the switch means is disconnected from the network R, that is to say by opening the circuit breaker 12 or the disconnector 14.
  • the transformer TR1 connected to the thyristor rectifier bridge PR1 of the transformer is disconnected. network by acting on the switch means II and 13 (if the latter is present), that is to say by opening the disconnectors II and possibly 13.
  • the user device 10 of the rectifier circuit is disconnected.
  • the rectifier bridges instead of being hexaphase to be twelve-phase with a single thyristor rectifier bridge and one or more PR2 diode rectifier bridges.
  • Such rectifier bridges make it possible to reduce the ripple rate on the output current and to limit mainly the amplitude of the harmonics of rank five and seven reinjected on the network.
  • the voltages that supply each of the arms of a rectifier bridge PR1 or PR2 are alternating voltages phase shifted by 30 °.
  • FIG. 6A which shows the rectifying circuit of the invention in this latter twelve-phase configuration. In this example, there is only one PR2 diode rectifier bridge, but there could be several.
  • each twelve-phase rectifier bridge PR1 or PR2 is formed of a first PR1.1 PR2.1 hexaphase rectifier bridge and a second hexaphase rectifier bridge PRl.2, PR2.2. All the first rectifier bridges PRl.1, PR2.1 are mounted in a first set PESl series. All second rectifier bridges PR1.2, PR2.2 are mounted in a second set PES2 series. The first set PESl series and the second set PES2 series are mounted in parallel. Twelve-phase rectifier bridges of this nature do not pose a problem to a person skilled in the art.
  • each of the transformers TR1, TR2 has a pair of secondary S1 and S1 ', S2 and S2', phase shifted by 30 °, which can be achieved by different couplings to the primary or in high school.
  • the example of FIG. 6A represents the simplest of these couplings: each of the transformers TR1, TR2 has only one star primary P1, P2 and two secondary ones, one of which is referenced S1, S2 is in a triangle and the other is referenced S1. ', S2' is in star.
  • FIG. 6A the switch means 12 enabling free-wheel operation of the diode rectifier bridge PR2 are illustrated as in the variant of FIG. 2A. It is of course possible to use the configuration illustrated in Figure 2B with the disconnecting couple in opposition continuous side.
  • FIG. 6A there is no representation of tertiary compensation and their compensation-filtering batteries, but there is no disadvantage in introducing them as in FIGS. 2A, 2B. As already indicated, they are optional and it is sometimes preferred to use compensation-filtering batteries connected to the electrical network R.
  • FIG. 6B shows a rectifying circuit according to the invention with always a transformer TR1 connected to a rectifier bridge with thyristors PR1 but with several transformers TR2, TR3, (in example two), each connected to a bridge rectifier with diodes PR2, PR3.
  • the transformers TR2, TR3 are connected in parallel on the network side 10.
  • the diode rectifier bridges PR2, PR3 are connected in series with each other and with the thyristor rectifier bridge PR1 on the user device 10.
  • To operate the rectifier circuit is carried out as described above, with a first transformer connected to a first diode rectifier bridge. As soon as the user device needs more voltage, another one is connected after having reduced the current in the user device by controlling the thyristors.
  • FIG. 7 illustrates a clever arrangement of two tertiaries T1, T1 'of a transformer TR1 connected to a rectifier bridge with thyristors PR1.
  • the transformer TR1 comprises two primary P1, P1 and two secondary S1, S1 '.
  • the tertiary two Tl, Tl ' have the same coupling, star in the example. They are connected in series which requires opening the star of one of them, the one called Tl '.
  • the set of two tertiaries T1, T1 ' feeds a single filtering-filtering battery F which then only supports the phase harmonics, of ranks 11, 13, 23, 25, etc., but not the harmonics in phase opposition.
  • FIG. 8 illustrates a rectifier assembly comprising two twelve-phase rectifier circuits or groups G1, G2, 15 ° out of phase, which gives an overall harmonic reaction at 24 pulses.
  • the harmonics of rank 11 and 13 that remained in the twelve-phase assemblies described above are eliminated and the first harmonics that remain have the ranks 23 and 25.
  • the advantage of such a rectifier assembly is that the transformers TRl.1, TR2.1 TR1.2, TR2.2 of both groups are physically identical.
  • Transformers TRl.1, TRl .2 connected to thyristor rectifier bridges PRIa, PRIb, PRIc, PRId have two primaries, named respectively Pl.1, Pl.2 and Pl.1 ', Pl.2' and two secondary named respectively Sl.1, Sl.2 and Sl.1 ', Sl.2'.
  • Transformers TR2.1, TR2.2 connected to diode rectifier bridges PR2a, PR2b, PR2c, PR2d each have a primary element named P2, P2 ', respectively.
  • the primers Pl.1, Pl.2, Pl.1 ', Pl.2' of transformers TRl.1, TRl .2 connected to thyristor rectifier bridges PRIa, PRIb, PRIc, PRId are respectively coupled in zigzag and triangle zigzag to obtain at the same time the phase shift of 30 ° between the two secondary Sl.1, Sl.2, Sl.1 ', Sl.2' and a phase shift of 7.5 ° between each transformer TRl.1, TRl .2 and the network R and two network phases are switched on one of the two groups G1, G2, which reverses the direction of the phase shift.
  • One of the groups is out of phase compared to the network of + 7.5 ° and the other of -1.5 °, or 15 ° between the two groups G1, G2.
  • FIG. 8 The diagram of FIG. 8 must be completed, according to the invention, by the switch means allowing the freewheeling operation of the diode rectifying bridges PR2a, PR2b, PR2c, PR2d, using either the variant of FIGS. 2A or 6, or that of Figure 2B.
  • An advantage of the rectifier circuit according to the invention is its lower cost since the high voltage side support regulator illustrated in FIG. 1 is no longer used and the sizing power of the transformers is lower.
  • Another advantage is that the transport and installation of the transformers are facilitated, their size being smaller.
  • the suppression of the self-saturable reactants 5 of FIG. 1, normally integrated in the transformers 3, implies that the Transformers used in the rectifier circuit according to the invention are more conventional transformers whose supply is much easier since a greater number of suppliers offer this type of transformer.
  • Yet another advantage of the rectifier circuit of the invention is that the DC voltage delivered can be increased without being limited by the fuse technology of diodes or thyristors which are conventionally equipped rectifier bridges. This was not the case in the prior art since all the power passed through the same bridge rectifier.
  • Another advantage is to reduce the harmonics produced, on the one hand because the switching times of the diode rectifier bridges are longer, on the other hand because the harmonics of the two rectifier bridges are not in phase, which allows use identical transformers for parallel circuits.
  • the undulations of the DC currents are also reduced because a diode rectifier bridge generates much less ripples than a thyristor rectifier bridge, which reduces the disturbances with respect to the environment in the structures related to the magnetic field of the electromagnetic fields. continuous busbars.
  • Another advantage is the control of the rectifier circuit in its fast regulation and charging range, which is much simpler than in the past.
  • the previous structure used two coordinated means on the one hand the regulator transformer equipped with the on the other hand, the self-saturable reactants or the thyristors.
  • the rectifier circuit according to the invention uses only one control means, the ignition of the thyristors of the rectifier bridge TR1. This results in fewer studies and a much simpler exploitation.

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Abstract

II s'agit d'un circuit redresseur triphasé comportant deux transformateurs (TRl, TR2) ou plus destinés à être reliés en parallèle côté primaire (Pl, Pl', P2) à un réseau électrique (R) alternatif et côté secondaire (Sl, S2), chacun, à au moins un pont redresseur à semi-conducteurs (PRl, PR2), les ponts redresseurs (PRl, PR2) reliés à des transformateurs différents étant montés en série côté continu et étant destinés à alimenter en continu un dispositif utilisateur (10). L'un des ponts redresseurs (PRl) est à thyristors et le ou les ponts redresseurs restants (PR2) sont à diodes. Le pont redresseur à diodes ou l'ensemble des ponts redresseurs à diodes (PR2) fournit une tension supérieure à celle fournie par le pont redresseur à thyristors (PRl). Il comporte en outre un moyen interrupteur (12) associé à chaque pont redresseur à diodes (PR2) pour, dans une position, permettre au pont redresseur à diodes (PR2) de fonctionner en roue libre et, dans une autre position, permettre au pont redresseur à diodes (PR2) de fonctionner en redresseur. Application notamment pour l'alimentation de séries de cuves d' électrolyse d'aluminium.

Description

CIRCUIT REDRESSEUR A FORTE PUISSANCE NOTAMMENT POUR ELECTROLYSE DE L'ALUMINIUM
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention est relative à un circuit redresseur à forte puissance notamment pour 1' électrolyse de l'aluminium. Les cuves dans lesquelles se fait l' électrolyse de l'aluminium sont traversées par un courant continu de très forte intensité de l'ordre de 350 000 ampères pour une tension de 4 volts, de nombreuses cuves étant alimentées en série. Cette valeur de courant est atteinte progressivement à partir du démarrage .
A titre d'exemple, pour une usine d' électrolyse disposant de 200 cuves montées en série, alimentées par du courant de 300 000 ampères sous une tension de 4 volts, soit 800 volts pour la série d' électrolyse, il faut disposer d'une puissance de 250 MW. L'usine doit disposer en final d'une puissance de 300 MW si on ajoute les auxiliaires notamment la cuisson des anodes et la fonderie. Cette puissance correspond à environ un tiers de la puissance produite par une tranche de centrale nucléaire, ce qui est énorme .
Le circuit redresseur à forte puissance pourrait bien sûr être utilisé pour alimenter autre chose que des cuves d' électrolyse, par exemple des fours électriques à arc ou les générateurs de plasma qui nécessitent également des fortes puissances. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE
Actuellement, le courant d'alimentation des cuves est fourni par le réseau d'électricité R haute tension alternatif triphasé. Le courant alternatif triphasé du réseau R traverse un circuit redresseur comme celui illustré sur la figure 1. Ce circuit comporte, à partir du réseau alternatif triphasé R, un transformateur ou un auto-transformateur 2 triphasé muni au secondaire d'un régleur en charge par prises (connu sous l'acronyme d' OLTC pour « on line tap changer ») , ce secondaire alimentant un transformateur redresseur 3 triphasé. On emploiera par la suite l'expression transformateur régleur 2 pour le transformateur ou l'auto-transformateur muni du régleur en charge. Il faut noter qu'un tel régleur en charge monté au primaire d'un transformateur augmente la puissance de dimensionnement du transformateur tandis qu'un tel régleur monté au secondaire n'augmenterait pas sa puissance de dimensionnement. Un régleur au secondaire du transformateur redresseur 3 serait irréaliste compte tenu des niveaux de courant. Mais le régleur peut parfaitement être au secondaire du transformateur régleur 2.
On rappelle qu'un transformateur triphasé comporte au moins un primaire par phase et au moins un secondaire par phase, ces primaires pouvant être montés par exemple en triangle ou en étoile. Dans l'exemple décrit, le transformateur redresseur 3 comporte deux primaires 3.1 triphasés reliés au secondaire du transformateur régleur et deux secondaires triphasés 3.2. Les deux secondaires 3.2 du transformateur redresseur 3 sont reliés à un pont redresseur 4 dodécaphasé parallèle. En fait chaque secondaire triphasé 3.2 est relié à un pont à semi-conducteurs triphasé à six composants semi-conducteurs et les deux ponts sont montés en parallèle côté continu. Chacun des ponts est de type pont de Graetz. Ce pont redresseur dodécaphasé 4 est représenté comme étant à diodes. Des réactances auto-saturables 5 sont insérées entre les deux secondaires 3.2 du transformateur redresseur 3 et le pont redresseur 4, permettant de régler rapidement la tension continue, mais avec une amplitude faible pour limiter le dimensionnement des réactances, le réglage des grandes amplitudes étant assuré par le transformateur régleur, mais de façon plus lente et par plots successifs. Le pont redresseur 4 alimente en courant continu, une installation d' électrolyse ou série d' électrolyse (non représentée spécifiquement) ou tout autre dispositif utilisateur 10. Des moyens interrupteurs 6 sont insérés entre le réseau électrique triphasé R et le primaire du transformateur muni du régleur 2. On utilise parfois un pont redresseur 4 dodécaphasé à thyristors, ce qui permet de s'affranchir des réactances auto-saturables 5 et de diminuer le nombre de prises du régleur en charge à prises. Les thyristors sont capables de régler rapidement la tension continue sur toute la plage de tension depuis 0 volt, mais en consommant alors une puissance réactive prohibitive, tandis que le régleur permet ce réglage, sans consommation de puissance réactive mais plus lentement. Le primaire du transformateur régleur 2 peut être équipé d'un tertiaire 8 triphasé relié via des moyens interrupteurs de protection 9 à une batterie de compensation-filtrage 7 triphasée à une ou plusieurs branches en parallèle comportant pour chaque branche un condensateur C en série avec une inductance L et éventuellement une résistance d'amortissement (non représentée) . La batterie de compensation-filtrage 7 peut être en étoile, seule une branche étant montrée sur la figure 1. La batterie de compensation-filtrage 7 assure simultanément les fonctions de compensation de la puissance réactive et de filtrage des harmoniques. Une autre batterie de compensation-filtrage de même type pourrait être également prévue au niveau haute tension.
Pour fournir le très fort courant nécessité par les séries d' électrolyse, un seul circuit tel que celui montré sur la figure 1 ne suffit pas, même en disposant plusieurs thyristors en parallèle pour former un des six composants fonctionnels des ponts de Graetz. On utilise alors plusieurs circuits, que l'on appelle groupes, en parallèle, ces groupes étant déphasés les uns par rapport aux autres pour éliminer plus complètement les harmoniques. Ces déphasages sont habituellement réalisés au niveau du primaire des transformateurs régleurs par des couplages zigzag. Par exemple, on utilise quatre groupes dodécaphasés déphasés respectivement de -11,25°, -3,75°, +3,75°, +11,25°, ce qui donne globalement une « réaction à 48 pulsations », soit une élimination des harmoniques jusqu'au rang 46 et des harmoniques subsistant de rangs 47, 49, 95, 97 etc.
Un inconvénient de ces déphasages est d'avoir à utiliser des transformateurs régleurs différents, notamment au niveau des selfs de fuite, et nécessitant plus de rechanges.
Maintenant une description synthétique du fonctionnement de ce circuit va être faite. Avant la fermeture des moyens interrupteurs 6, c'est-à-dire avant la mise sous tension du transformateur régleur 2, ce dernier est réglé dans la position correspondant à la tension minimale de sortie.
Une fois que les moyens interrupteurs 6 sont fermés, la tension alternative fournie par le transformateur régleur 2 augmente, ce qui sature les réactances auto-saturables 5. Le courant délivré par le circuit redresseur augmente jusqu'à ce que les réactances auto-saturables 5 ne soient plus saturées. Le transformateur régleur 2 se stabilise. Les variations de courant débité par le circuit redresseur dues au réseau électrique triphasé ou au dispositif utilisateur sont contrôlées d'abord rapidement par les réactances auto-saturables 5, avec une amplitude limitée, et ensuite par le transformateur régleur 2. L'inconvénient de ce circuit redresseur est que toute la puissance nécessaire au dispositif utilisateur transite à la fois par le transformateur régleur et par le transformateur redresseur, ce qui fait que ces transformateurs sont très encombrants et qu'ils ne peuvent pas se trouver dans une cuve commune. Cet encombrement pose notamment des problèmes de transport au moment de l'installation.
Un autre inconvénient est le coût de ces deux transformateurs qui peut atteindre plus de la moitié du coût global de l'installation qui utilise un tel circuit redresseur comme alimentation électrique.
Un autre inconvénient est que des limites technologiques apparaissent au niveau des fusibles des diodes ou des thyristors utilisés dans les ponts redresseurs, ces limites étant liées à l'augmentation des tensions redressées.
Pour éliminer ces inconvénients, une piste à explorer est que toute la puissance ne transite pas par un même transformateur, il est alors possible de diminuer sa taille.
Des circuits redresseurs triphasés avec un seul transformateur associé à au moins un pont redresseur sont connus. Dans le document FR 2 704 710 le transformateur possède deux secondaires triphasés, chacun d'entre eux étant relié à un redresseur en pont hexaphasé à thyristors. Le primaire du transformateur est directement relié au réseau d'électricité triphasé. Toute la puissance transite par le transformateur.
Dans les documents EP 0 080 925, EP 0 620 635, US 4 459 652, il y a deux redresseurs en pont, dont l'un est branché sur le primaire du transformateur et l'autre sur le secondaire, ces deux redresseurs en pont étant montés soit en série soit en parallèle. Le primaire du transformateur est directement relié au réseau électrique triphasé. On observe une absence d' isolation galvanique entre le réseau d'alimentation et le circuit alimenté. Un autre inconvénient est que pour les systèmes de forte puissance alimentés par un réseau haute tension, comme c'est le cas pour les installations d' électrolyse d'aluminium, le rapport de tension entre primaire et secondaire est très grand et il y a nécessité d' intercaler un transformateur ou un autotransformateur entre le réseau haute tension et le circuit redresseur.
Dans les demandes de brevet GB 2 383 477 et GB 2 383 695, il y a deux transformateurs possédant chacun un secondaire alimentant un pont redresseur hexaphasé à thyristors, ces ponts redresseurs étant montés en parallèle. Les primaires des transformateurs sont connectés en parallèle au réseau électrique triphasé. Les redresseurs en pont sont également connectés en parallèle. Ces demandes de brevet cherchent à diminuer des effets des distorsions sur le réseau en optimisant les inductances de fuite du transformateur. Dans le document GB 2 383 695, un hacheur avec des transistors IGBT (pour insulated gâte bibolar transistor soit transistor bipolaire à grille isolée) est prévu. Ces circuits redresseurs ne montrent pas comment obtenir en sortie une tension et un courant réglables en fonction des besoins du dispositif utilisateur.
Mais il faut pouvoir fournir la puissance et toutes les fonctionnalités requises par le dispositif utilisateur. EXPOSE DE L'INVENTION
La présente invention a justement comme but principal de proposer un circuit redresseur capable de transiter de très fortes puissances, qui ne présente pas les inconvénients d'encombrement et de coûts mentionnés ci-dessous et qui permet de délivrer des tensions variables de manière à ajuster la valeur du courant en fonction des besoins du dispositif utilisateur qu'il contribue à alimenter. Dans le cas des séries d' électrolyse d'aluminium, le besoin de réglage rapide et en charge de la tension continue résulte des variations de la haute tension, au maximum ± 10%, et des variations dues au procédé d' électrolyse, d'environ 50 volts, soit environ 5% de la tension totale puisque toutes les cuves sont en série. De plus, il faut pouvoir assurer les périodes de démarrage pendant lesquelles les cuves sont successivement mises en série, la tension étant alors réduite. On peut alors prévoir plusieurs plages de tension, le passage d'une plage à l'autre pouvant s'effectuer hors charge, tout en conservant dans la plage la possibilité de réglage rapide et en charge.
Pour y parvenir l'idée de base est de supprimer le transformateur régleur et d'utiliser plusieurs transformateurs coopérant avec des ponts redresseurs de manière à ce que la puissance se répartisse entre eux, les ponts redresseurs étant montés en série côté continu, l'un étant à thyristor et l'autre ou les autres à diodes, chaque pont redresseur à diodes pouvant fonctionner en roue libre et délivrer une tension sensiblement nulle. Plus précisément, la présente invention propose un circuit redresseur triphasé comportant deux transformateurs ou plus, destinés à être reliés en parallèle côté primaire à un réseau électrique alternatif et côté secondaire, chacun, à au moins un pont redresseur à semi-conducteurs, les ponts redresseurs reliés à des transformateurs différents étant montés en série côté continu et étant destinés à alimenter en continu un dispositif utilisateur. L'un des ponts redresseurs est à thyristors et le ou les ponts redresseurs restants sont à diodes, le pont redresseur à diodes ou l'ensemble des ponts redresseurs à diodes fournissant une tension supérieure à celle fournie par le pont redresseur à thyristors. Il comporte en outre un moyen interrupteur associé à chaque pont redresseur à diode, comportant un couple de sectionneurs, fonctionnant en opposition, raccordé côté continu au pont redresseur à diodes, permettant, dans une position de roue libre d' isoler le pont redresseur à diodes du pont redresseur à thyristors et, dans une autre position de le mettre en série avec le pont redresseur à thyristors pour que le pont redresseur fonctionne en redresseur, dans la position de roue libre, du courant circule dans l'un des sectionneurs du couple qui court-circuite le pont redresseur à diodes et pas dans l'autre ni dans le pont redresseur à diodes .
Il est avantageux qu'un transformateur relié à un pont redresseur à diodes soit équipé de moyens diviseurs de tension de manière, à ce que le pont redresseur à diodes auquel il est relié, délivre soit une tension pleine, soit une fraction de la tension pleine.
Les moyens diviseurs de tension peuvent comporter une paire de sectionneurs, par phase, et le transformateur peut comporter un primaire formé de deux enroulements primaires identiques, la paire de sectionneurs étant apte à mettre en série les deux enroulements primaires pour que le pont redresseur à diodes délivre une moitié de la tension pleine ou bien en parallèle pour que le pont redresseur à diodes délivre la tension pleine.
En variante, les moyens diviseurs de tension peuvent comporter un régleur hors charge à deux prises, par phase, monté au secondaire du transformateur.
Pour que les ponts redresseurs soient dodécaphasés, les transformateurs ont des secondaires déphasés de 30° par des couplages appropriés au niveau de leurs secondaires ou de leurs primaires, les ponts redresseurs peuvent comporter chacun un premier et un second pont redresseur hexaphasé, les premiers ponts redresseurs hexaphasés étant tous montés en un premier ensemble série, les seconds ponts redresseurs étant tous montés en un second ensemble série, le premier ensemble série et le second ensemble série étant montés en parallèle.
Un transformateur dodécaphasé peut comporter deux primaires et deux tertiaires de compensation, les deux tertiaires de compensation étant montés en série et alimentent une unique batterie de compensation filtrage. La présente invention concerne également un ensemble de deux circuits redresseurs ainsi caractérisés, avec des ponts redresseurs dodécaphasés, dans lequel les transformateurs d'un circuit redresseur sont identiques aux transformateurs de l'autre circuit redresseur et dans lequel les primaires des transformateurs sont déphasés de 7,5° par rapport au réseau, deux phases du réseau étant permutées entre les primaires des transformateurs d'un des circuits et les primaires des transformateurs de l'autre circuit, de manière à ce que le déphasage des primaires des transformateurs d'un circuit soit positif par rapport au réseau et le déphasage des primaires des transformateurs de l'autre circuit soit négatif par rapport au réseau.
La présente invention concerne également un précédé de commande d'un circuit redresseur ainsi caractérisé comportant, pour le faire fonctionner, les étapes consistant à : a) connecter le dispositif utilisateur au circuit redresseur et le transformateur relié au pont redresseur à thyristors au réseau mais pas le ou les transformateurs reliés à un pont redresseur à diodes, b) réguler le courant circulant dans le dispositif utilisateur par commande des thyristors du pont redresseur à thyristors, c) lorsque la tension demandée par le dispositif utilisateur dépasse la tension maximale que peut fournir le pont redresseur à thyristors, commander les thyristors du pont redresseur à thyristors pour diminuer au maximum le courant dans le dispositif utilisateur, le sectionneur qui lorsqu'il est fermé court-circuite le pont redresseur à diodes, étant ouvert et l'autre sectionneur du couple étant fermé, d) connecter au réseau un transformateur relié à un pont redresseur à diodes, si le transformateur relié au pont redresseur à diodes est équipé de moyens diviseurs de tension, ces derniers étant positionnés au préalable pour que le transformateur délivre la tension moitié, e) réguler le courant circulant dans le dispositif utilisateur par commande des thyristors du pont redresseur à thyristors, f) lorsque la tension demandée par le dispositif utilisateur dépasse la tension maximale que peuvent fournir tous les ponts redresseurs connectés au réseau, commander les thyristors du pont redresseur à thyristors pour diminuer au maximum le courant dans le dispositif utilisateur, le sectionneur qui lorsqu' il est fermé court-circuite le pont redresseur à diodes, étant ouvert et l'autre sectionneur du couple étant fermé, g) si le transformateur relié au pont redresseur à diodes qui est connecté comporte des moyens diviseurs de tension et qu' ils sont positionnés pour qu'il délivre la tension moitié, le déconnecter et le régler en positionnant ses moyens diviseurs de tension de manière à ce qu' il délivre la pleine tension, h) reconnecter le transformateur relié au pont redresseur à diodes ainsi réglé au réseau, i) réguler le courant circulant dans le dispositif utilisateur par commande des thyristors du pont redresseur à thyristors, j) si le circuit redresseur possède un autre transformateur relié à un pont redresseur à diodes non encore connecté au réseau et que la tension demandée par le dispositif utilisateur dépasse la tension maximale que peuvent fournir les ponts redresseurs qui sont connectés au réseau, commander les thyristors du pont redresseur à thyristors pour diminuer au maximum le courant dans le dispositif utilisateur, le sectionneur qui est monté en parallèle avec le pont redresseur à diodes étant ouvert et l'autre sectionneur du couple étant fermé, k) connecter l'autre transformateur relié à un pont redresseur à diodes, si cet autre transformateur relié au pont redresseur à diodes est équipé de moyens diviseurs de tension, positionner ces derniers au préalable pour que cet autre transformateur délivre la fraction de tension, puis la pleine tension,
1) répéter les étapes e) à k) jusqu'à ce que tous les transformateurs reliés à un pont redresseur à diodes soient tous connectés au réseau et qu' ils soient tous réglés pour fournir la pleine tension.
Le procédé comporte également pour arrêter le fonctionnement du circuit redresseur les étapes consistant à : m) commander les thyristors du pont redresseur à thyristors pour diminuer au maximum le courant dans le dispositif utilisateur, n) déconnecter du réseau tout transformateur relié à un pont redresseur à diodes puis le transformateur relié au pont redresseur à thyristor o) déconnecter le dispositif utilisateur du circuit redresseur.
La présente invention concerne également l'utilisation d'un circuit redresseur ainsi caractérisé, avec comme dispositif utilisateur une ou plusieurs cuves d' électrolyse d'aluminium. La présente invention concerne également l'utilisation d'un ensemble de circuits redresseurs ainsi caractérisé, avec comme dispositif utilisateur une ou plusieurs séries de cuves d' électrolyse d'aluminium. La présente invention concerne également l'utilisation d'un procédé ainsi caractérisé avec comme dispositif utilisateur une ou plusieurs séries de cuves d' électrolyse d'aluminium.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels :
La figure 1 est un schéma d'un circuit redresseur de l'art antérieur ;
La figure 2A est un schéma d'une première variante d'un circuit redresseur de l'invention ;
La figure 2B est un schéma d'une deuxième variante d'un circuit redresseur de l'invention ; La figure 3 est un schéma plus détaillé des ponts redresseurs montrés sur les figures 2A et 2B ; Les figures 4A, 4B illustrent une variante d'une phase du primaire du transformateur relié à un pont redresseur à diodes des figures 2A, 2B, ce primaire étant équipé de moyens diviseurs de tension de et étant respectivement dans un montage série et dans un montage parallèle ;
La figure 4C illustre une variante d'une phase du secondaire du transformateur relié à un pont redresseur à diodes des figures 2A, 2B, ce secondaire étant équipé de moyens diviseurs de tension ;
La figure 5 montre l'allure de la tension délivrée par le circuit redresseur conforme aux variantes de figures 4A à 4C en fonction du mode de fonctionnement du transformateur relié au pont redresseur à diodes ;
La figure 6A montre d'une autre variante d'un circuit redresseur de l'invention ;
La figure 6B montre une variante supplémentaire d'un circuit redresseur selon l'invention avec trois transformateurs reliés à des ponts redresseurs ;
La figure 7 est un schéma d'une variante du transformateur relié au pont à thyristors de la figure 6A dont les primaires sont équipés de tertiaires ; La figure 8 représente un ensemble de deux circuits redresseurs dodécaphasés (12 pulsations) constituant un ensemble à 24 pulsations.
Des parties identiques, similaires ou équivalentes des différentes figures décrites ci-après portent les mêmes références numériques de façon à faciliter le passage d'une figure à l'autre. Les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles . Ces différentes variantes présentées doivent être comprises comme n'étant pas forcément exclusives les unes des autres.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
On va maintenant se référer à la figure 2A qui montre schématiquement un premier exemple d'un circuit redresseur triphasé objet de l'invention. Il comporte deux transformateurs TRl et TR2 destinés à être reliés côté primaire Pl, P2 chacun à un même réseau électrique alternatif triphasé R. Côté secondaire Sl, S2, chacun des transformateurs TRl, TR2 est relié à au moins un pont redresseur à semiconducteurs PRl, PR2. Les ponts redresseur à semiconducteurs PRl, PR2 sont connectés en série, ils sont destinés à alimenter un dispositif utilisateur 10, tel une ou plusieurs séries de cuves d' électrolyse d'aluminium. L'un des ponts redresseurs référencé PRl est relié à la borne positive + du dispositif utilisateur 10, l'autre pont redresseur référencé PR2 à la borne négative -. Le dispositif utilisateur pourrait être différent, par exemple un four à arc ou un four à plasma .
Dans l'exemple décrit des figures 2A, 2B, on suppose que chaque transformateur TRl, TR2 est relié à un seul pont redresseur hexaphasé PRl, PR2. Dans cette variante chaque transformateur TRl, TR2 ne comporte qu'un secondaire Sl, S2 comprenant au moins un enroulement par phase.
Selon l'invention l'un des ponts redresseurs PRl est à thyristors Thy et l'autre référencé PR2 est à diodes d. Par pont redresseur à diodes on entend un pont redresseur dont les composants semi-conducteurs sont de la famille des diodes ou fonctionnent comme des diodes. Ainsi les diodes pourraient être remplacées par des thyristors commandés de manière à ce qu'ils fonctionnent comme des diodes.
De manière similaire, par pont redresseur à thyristors, on entend un pont redresseur dont les composants semi-conducteurs sont de la famille des thyristors ou fonctionnent comme des thyristors. Le nombre d'ensembles transformateur et pont redresseur à diodes peut être supérieur à un comme on l'a illustré sur la figure 6B décrite ultérieurement .
Le pont redresseur PRl à thyristors est destiné à fournir une tension dont l'amplitude est ajustable rapidement et en charge par la commande des thyristors. Le ou les ponts redresseurs à diodes sont destinés à fournir une tension redressée dont l'amplitude est constante. Mais cette tension peut être changée hors charge ou à faible charge. On décrira les moyens pour obtenir ce changement ultérieurement.
Sur la figure 3, on a illustré chacun des ponts redresseurs PRl, PR2. Il s'agit de ponts de Graetz classiques hexaphasés. Leur montage en série est bien visible. Les tensions qui alimentent chacun des bras d'un pont sont des tensions alternatives déphasées de 60°.
Les primaires Pl, P2 des transformateurs TRl, TR2, côté haute tension, sont montés de préférence en étoile et les secondaires Sl, S2, côté basse tension, sont montés de préférence en triangle.
Côté primaire Pl, P2, chaque transformateur TRl, TR2 est connecté au réseau électrique triphasé R par l'intermédiaire de moyens interrupteurs d'entrée II, 12, 13. Un moyen interrupteur associé au transformateur TRl relié au pont redresseur à thyristors PRl est référencé II, il permet de le déconnecter du réseau R. Le moyen interrupteur référencé 12, associé au pont redresseur à diodes PR2 et connecté à un transformateur TR2 relié à un pont redresseur à diodes PR2 permet lui de faire fonctionner le pont redresseur à diodes PR2 en roue libre. Le moyen interrupteur 13 est facultatif, il permet de déconnecter le circuit redresseur du réseau R. Chaque moyen interrupteur II, 12, 13 comporte un disjoncteur par phase.
Sur les figures 2A, 2B qui ne représentent qu'une phase, on ne voit que l'un des disjoncteurs II, 12, 13 de chacun des moyens interrupteurs. Les trois disjoncteurs II, 12, 13 ont une extrémité commune, le premier 13 ayant son autre extrémité reliée au réseau électrique triphasé R, le second II ayant son autre extrémité reliée au primaire Pl du transformateur TRl, le troisième 12 ayant son autre extrémité reliée au primaire P2 du transformateur TR2. Si le disjoncteur 13 est omis, l'extrémité commune des disjoncteurs 12 et 13 est reliée directement au réseau R.
Lorsque le redresseur à diodes PR2 fonctionne en roue libre, les disjoncteurs 12 du moyen interrupteur associé au transformateur TR2 concerné sont ouverts. Par contre les disjoncteurs II du moyen interrupteur associé au transformateur TRl relié au pont redresseur à thyristors PRl sont fermés.
Il est préférable de prévoir, côté primaire Pl, Pl', P2 de chacun des transformateurs TRl, TR2 un tertiaire de compensation Tl, T2. Une batterie de compensation-filtrage Fl, F2 est connectée à chaque tertiaire de compensation Tl, T2. Cette batterie de compensation-filtrage Fl, F2 comporte une ou plusieurs branches montées en parallèle, de préférence en étoile, chaque branche comportant en série une inductance Ll, L2 et un condensateur Cl, C2 par phase et éventuellement une résistance d'amortissement (non représentée) . Des moyens interrupteurs 110, 120 sont insérés entre chaque tertiaire de compensation Tl, T2 et chaque batterie de compensation-filtrage Fl, F2. Les moyens interrupteurs 110, 120 sont formés, pour chaque transformateur, d'un interrupteur par phase.
En variante, on peut également placer des batteries de compensation-filtrage sur le réseau électrique R d'entrée.
La variante de la figure 2B est identique à celle de la figure 2A, à l'exception du fait que côté réseau R, on ne retrouve que le moyen interrupteur 13 permettant de déconnecter le circuit redresseur du réseau R. Il comporte un disjoncteur 13 par phase, monté entre le réseau R et les primaires Pl, P2 des transformateurs TRl, TR2. Un seul disjoncteur par phase suffit .
Une autre différence est que le moyen interrupteur permettant de faire fonctionner chaque pont redresseur à diodes PR2 en roue libre est associé directement au pont redresseur à diodes PR2 car il placé côté continu. Il comporte un couple de sectionneurs 14, 15 dont les sectionneurs fonctionnent en opposition. L'un des sectionneurs 14 est monté entre le pont redresseur PR2 à diodes, côté dispositif utilisateur 10, et la borne négative du dispositif utilisateur 10 et l'autre sectionneur 15 est monté entre le pont redresseur PR2 à diodes, côté pont redresseur PRl à thyristors, et la borne négative du dispositif utilisateur 10.
Dans la position roue libre du pont redresseur à diodes PR2, c'est le sectionneur 14 qui est ouvert et lorsque le pont redresseur à diodes PR2 fonctionne en redresseur, c'est le sectionneur 15 qui est ouvert. Dans la position roue libre, du courant circule dans le sectionneur 15 mais pas dans le sectionneur 14 ni dans le pont redresseur à diodes PR2.
Le ou les ponts redresseurs à diodes PR2 fournissent dans leur ensemble une tension supérieure à celle fournie par le pont redresseur à thyristors PRl. On diminue ainsi la puissance réactive, les harmoniques renvoyés au réseau et l'ondulation des courants continus . On va se référer aux figures 4A, 4B qui montrent deux configurations d'une phase du primaire du transformateur TR2 relié au pont redresseur PR2 à diodes illustré sur les figures 2A, 2B. Chaque phase du primaire comporte deux enroulements P2, P2' aptes à être connectés soit en série, soit en parallèle par des moyens de commutation MC. Les enroulements sont identiques. Lorsque les enroulements P2, P2' sont en série, ils fournissent au secondaire une tension moitié et lorsque les enroulements P2, P2' sont en parallèle, ils fournissent au secondaire la pleine tension. Sur ces figures 4A, 4B, les moyens de commutation MC sont formés de deux sectionneurs inverseurs 16 et 16' . Sur la figure 4A, les deux enroulements P2, P2' sont en série et sur la figure 4B ils sont en parallèle. Chaque enroulement P2, P2' a une première extrémité reliée en permanence au réseau R et une seconde extrémité reliée, soit à la seconde extrémité de l'autre enroulement (figure 4A), soit à la première extrémité de l'autre enroulement (figure 4B), c'est-à-dire au réseau R en fonction de la position des moyens de commutation 16, 16' . Les moyens de commutation MC permettent dans une position au transformateur TR2 et donc au pont redresseur à diodes PR2 de délivrer une tension pleine et dans une autre position de délivrer une tension moitié de la tension pleine. Le couplage de trois phases ainsi décrites peut se faire en étoile, en triangle ou même en zigzag. Un couplage en triangle prolongé est possible, mais il nécessiterait des moyens de commutation MC plus compliqués . Sur la figure 4C, on a représenté une phase du secondaire du transformateur TR2 relié au pont redresseur PR2 à diodes montré sur les figures 2A, 2B et elle comporte un enroulement secondaire S2 équipé de moyens de commutation MC de type régleur hors charge à deux prises, prenant la forme d'un sectionneur inverseur 17. Ce régleur hors charge à deux prises 17 permet dans une position de diviser la tension maximale que peut délivrer le transformateur TR2 et dans une autre position au transformateur TR2 de délivrer la tension pleine. L'une des prises se trouve à une extrémité de l'enroulement secondaire S2 et l'autre prise le long de l'enroulement secondaire S2 en son milieu. Un tel montage permet de disposer, soit de la pleine tension, soit d'une fraction de la tension pleine, cette fraction de la tension pleine peut être une moitié ou non.
La présence du régleur au secondaire n'est toutefois possible que si le niveau du courant n'est pas trop important. Dans l'art antérieur avec les réactances auto-saturables, cela n'était pas possible car le régleur aurait dû posséder un grand nombre de prises et opérer en charge. Dans la présente invention, deux prises suffisent et le changement peut avoir lieu hors charge.
Il est bien entendu que les moyens de commutation MC permettant, dans une position, de diviser en deux la tension délivrée par le transformateur TR2 relié au pont redresseur à diodes PR2 et, dans une autre position de le laisser délivrer la tension pleine, ne sont pas obligatoires sur les transformateurs reliés à des ponts redresseurs à diodes dans la mesure où le circuit redresseur comporte plusieurs transformateurs reliés à des ponts redresseurs à diodes comme sur la figure 6B .
On va maintenant décrire le fonctionnement illustré par la figure 5, d'un tel circuit redresseur dans l'exemple des figures 2A, 2B ou 6A (que l'on décrira plus en détail ultérieurement) . Dans ces exemples, il n'y a qu'un seul pont redresseur à diodes. Le dispositif utilisateur 10 est connecté au circuit redresseur objet de l'invention, côté ponts redresseurs PRl, PR2. Le transformateur TRl relié au pont redresseur à thyristors PRl va être connecté au réseau R, mais pas le transformateur TR2 relié au pont redresseur à diodes PR2. Le transformateur TR2 relié au pont redresseur à diodes PR2 est positionné pour délivrer une tension moitié s'il est conforme à celui des variantes des figures 4A, 4B ou 4C. Les interrupteurs II, 13 des moyens interrupteurs sont ouverts dans les configurations des figures 2A, 2B. L' interrupteur 12 est ouvert dans la configuration de la figure 2A. Le sectionneur 14 est ouvert et le sectionneur 15 est fermé dans la configuration de la figure 2B.
On commence par mettre sous tension, à l'instant tl, le transformateur TRl relié au pont redresseur à thyristors PRl en fermant le disjoncteur 13 et le disjoncteur II. Du courant continu circule dans le pont redresseur à thyristors PRl, dans le dispositif utilisateur 10 via le sectionneur 15 (figure 2B) et dans le pont redresseur à diodes PR2 (figures 2A, 6A) en roue libre. On régule l'augmentation du courant par la commande des thyristors Thy du pont redresseur à thyristors PRl. On peut se référer à la figure 5. La tension aux bornes du dispositif utilisateur 10 croît depuis 0 volt jusqu'à atteindre la tension maximale que peut délivrer le pont redresseur à thyristors PRl.
Il est avantageux que les transformateurs TRl, TR2 et les ponts redresseurs PRl, PR2 soient dimensionnés pour que le pont redresseur à diodes PR2 coopérant avec les moyens de commutation MC dans leur variante des figures 4A, 4B ou 4C, puisse délivrer soit une pleine tension, soit une tension moitié, la pleine tension étant égale à environ les deux tiers de la tension maximale Umax nécessaire au dispositif utilisateur 10, et la tension moitié étant égale à environ un tiers de la tension maximale Umax.
Dès la mise sous tension du transformateur TRl relié au pont redresseur à thyristors PRl, la tension délivrée par le pont redresseur à thyristors PRl peut être augmentée depuis 0 jusqu'à environ 1/3 de Umax en fonction de la commande des thyristors.
Lorsque le dispositif utilisateur 10 demande une tension supérieure à celle que peut fournir le pont redresseur à thyristors PRl, on commande les thyristors du pont redresseur PRl de manière à diminuer au maximum le courant dans le dispositif utilisateur 10.
Dans le cas des configurations des figures 2A ou 6A, on ferme le disjoncteur 12 à l'instant t2. Dans le cas de la configuration de la figure 2B, on ouvre le disjoncteur 13, puis le sectionneur 15, ensuite on ferme le sectionneur 14, puis le disjoncteur 13 à l'instant t2. Le transformateur TR2 relié au pont redresseur à diodes PR2 est alors sous tension. Le pont redresseur à diodes PR2 délivre une tension moitié. La tension d'alimentation du dispositif utilisateur 10 est d'environ 1/3 de Umax. En commandant les thyristors du pont redresseur PRl, on régule la tension délivrée par le pont redresseur à thyristors PRl pour augmenter le courant dans le dispositif utilisateur 10 jusqu'à une valeur de consigne.
Lorsque la tension demandée par le dispositif utilisateur 10 dépasse la capacité du pont redresseur à thyristors PRl ajoutée à celle du pont redresseur à diodes PR2, soit environ 2/3 de la tension maximale Umax, on commande les thyristors du pont redresseur PRl de manière à diminuer au maximum le courant dans le dispositif utilisateur 10.
Dans le cas des configurations des figures 2A et 6A, on ouvre le disjoncteur 12, on positionne le transformateur TR2 pour qu'il délivre la pleine tension en agissant sur les moyens de commutation MC ou sur le régleur hors charge à prises 17 puis on ferme le disjoncteur 12 à l'instant t3. Dans le cas de la configuration de la figure 2B, on ouvre le disjoncteur 13, on positionne le transformateur TR2 pour qu'il délivre la pleine tension en agissant sur les moyens de commutation MC ou sur le régleur hors charge à prises 17, puis, le sectionneur 14 restant fermé et le sectionneur 15 ouvert, on ferme le disjoncteur 13 à l'instant t3. Le pont redresseur à diodes PR2 délivre alors environ 2/3 de Umax. On peut ensuite commander les thyristors du pont redresseur à thyristors PRl pour que le courant d'alimentation du dispositif utilisateur puisse augmenter. La séquence de commande de passage du transformateur TR2 de sa tension moitié à sa pleine tension doit se faire aussi rapidement que possible de manière à conserver, si nécessaire, la force contre- électromotrice dans le dispositif utilisateur 10. Si cette force contre-électromotrice a trop diminué à cause d'un trop long temps d'arrêt, il peut être nécessaire de rajouter une séquence de « recharge » de cette force contre-électromotrice en utilisant une plage de tension inférieure avant de passer à la plage de tension supérieure souhaitée.
Ainsi lors du fonctionnement à l'intérieur des trois plages de tension, le transformateur TRl et le pont redresseur à thyristors PRl sont toujours actifs. Ils permettent de régler rapidement et en charge la tension continue dans le dispositif utilisateur 10 dans toutes les plages. Le passage d'une plage à l'autre au niveau des ponts redresseurs à diodes s'effectue hors charge. Le pont redresseur à thyristors TRl toujours présent assure un réglage rapide et en charge avec une puissance réactive limitée. Le transformateur TR2 et le pont redresseur PR2 à diodes fonctionnent selon trois modes correspondants aux trois plages de tension : en roue libre fournissant une tension redressée voisine de 0 volt, à tension moitié et à pleine tension. Pour arrêter le fonctionnement du circuit redresseur, on commence par commander les thyristors du pont redresseur à thyristors PRl pour diminuer au maximum le courant dans le dispositif utilisateur. On déconnecte du réseau R tout transformateur relié à un pont redresseur à diodes agissant sur les moyens interrupteurs, c'est-à-dire en ouvrant le disjoncteur 12 ou le sectionneur 14. On déconnecte le transformateur TRl relié au pont redresseur à thyristors PRl du réseau en agissant sur les moyens interrupteurs II et 13 (si ce dernier est présent) , c'est-à-dire en ouvrant les sectionneurs II et éventuellement 13. Enfin, on déconnecte le dispositif utilisateur 10 du circuit redresseur. En variante, il est possible que les ponts redresseurs au lieu d'être hexaphasés soient dodécaphasés avec un seul pont redresseur à thyristors et un ou plusieurs ponts redresseurs à diodes PR2. De tels ponts redresseurs permettent de réduire le taux d'ondulation sur le courant de sortie et de limiter principalement l'amplitude des harmoniques de rang cinq et sept réinjectés sur le réseau. Les tensions qui alimentent chacun des bras d'un pont redresseur PRl ou PR2 sont des tensions alternatives déphasées de 30°. On se réfère à la figure 6A qui montre le circuit redresseur de l'invention dans cette dernière configuration dodécaphasée . Dans cet exemple, il n'y a qu'un seul pont redresseur à diodes PR2 mais il pourrait y en avoir plusieurs. En fait chaque pont redresseur dodécaphasé PRl ou PR2 est formé d'un premier pont redresseur hexaphasé PRl .1 PR2.1 et d'un second pont redresseur hexaphasé PRl.2, PR2.2. Tous les premiers ponts redresseurs PRl.1, PR2.1 sont montés en un premier ensemble série PESl. Tous les seconds ponts redresseurs PRl.2, PR2.2 sont montés en un second ensemble série PES2. Le premier ensemble série PESl et le second ensemble série PES2 sont montés en parallèles. Des ponts redresseurs dodécaphasés de cette nature ne posent pas de problème à un homme du métier.
Comme illustré sur la figure 6A, il est préférable de monter les deux ensembles série PESl, PES2 en parallèle plutôt que de former deux ensembles parallèle l'un comprenant les deux ponts redresseurs à thyristors et l'autre les deux ponts redresseurs à diodes et de monter les deux ensembles parallèle en série. On peut ainsi réguler dynamiquement l'égalité des courants dans les premier et second ponts à diode par les premier et second ponts à thyristors et diminuer l'ondulation du courant dans les ponts.
L'emploi de ponts redresseurs PRl, PR2 dodécaphasés nécessite seulement que les transformateurs TRl, TR2 possèdent chacun une paire de secondaires Sl et Sl', S2 et S2', déphasés de 30°, ce qui peut être réalisé par différents couplages au primaire ou au secondaire. L'exemple de la figure 6A représente le plus simple de ces couplages : chacun des transformateurs TRl, TR2 possède un seul primaire en étoile Pl, P2 et deux secondaires dont l'un référencé Sl, S2 est en triangle et l'autre référencé Sl', S2' est en étoile. D'autres couplages pourraient être utilisés, avec deux primaires l'un en étoile et l'autre en triangle ou bien l'un en triangle zigzag et l'autre en étoile zigzag, ou encore l'un en zigzag et l'autre non, ou encore des triangles prolongés. Les couplages assurant le déphasage de 30° entre les secondaires peuvent être différents au niveau du transformateur TRl relié au pont redresseur à thyristor PRl et au niveau du transformateur TR2 relié au pont redresseur à diodes PR2.
Sur la figure 6A, les moyens interrupteurs 12 permettant le fonctionnement en roue-libre du pont redresseur à diodes PR2 sont illustrés comme sur la variante de la figure 2A. Il est bien sûr possible d'utiliser la configuration illustrée sur la figure 2B avec le couple sectionneurs en opposition côté continu. Sur cette figure 6A, on n'a pas représenté de tertiaires de compensation et leurs batteries de compensation-filtrage mais il n'y a aucun inconvénient à les introduire comme sur les figures 2A, 2B. Comme on l'a déjà indiqué, ils sont facultatifs et on préfère parfois utiliser des batteries de compensation-filtrage raccordées au réseau électrique R.
Sur la figure 6B, on a représenté un circuit redresseur selon l'invention avec toujours un transformateur TRl relié à un pont redresseur à thyristors PRl mais avec plusieurs transformateurs TR2, TR3, (dans l'exemple deux), reliés chacun à un pont redresseur à diodes PR2, PR3. Les transformateurs TR2, TR3 sont montés en parallèle côté réseau 10. Les ponts redresseurs à diodes PR2, PR3 sont montés en série entre eux et avec le pont redresseur à thyristors PRl côté dispositif utilisateur 10. Pour faire fonctionner le circuit redresseur, on procède comme on a décrit précédemment, avec un premier transformateur relié à premier pont redresseur à diodes. Dès que le dispositif utilisateur a besoin de plus de tension, on en connecte un autre après avoir, par la commande des thyristors, réduit au maximum le courant dans le dispositif utilisateur. On peut procéder ainsi jusqu'à ce que tous les transformateurs reliés à des ponts redresseurs à diodes soient connectés. La figure 7 illustre un arrangement astucieux de deux tertiaires Tl, Tl' d'un transformateur TRl relié à un pont redresseur à thyristors PRl. Le transformateur TRl comporte deux primaires Pl, Pl'et deux secondaires Sl, Sl'. Les deux tertiaires Tl, Tl' ont le même couplage, en étoile dans l'exemple. Ils sont raccordés en série ce qui nécessite d'ouvrir l'étoile de l'un d'entre eux, celui dénommé Tl' . L'ensemble des deux tertiaires Tl, Tl' alimente une unique batterie de compensation-filtrage F qui ne supporte alors que les harmoniques en phase, de rangs 11, 13, 23, 25, etc., mais pas les harmoniques en opposition de phase de rangs 5, 7, 17, 19, etc., ce qui aurait été inutilement le cas avec deux tertiaires et deux batteries de compensation-filtrage séparées. Les harmoniques en opposition de phase engendrent des tensions opposées dans les deux tertiaires Tl, Tl', elles sont donc globalement annulées et non supportées par la batterie de compensation filtrage F. Les harmoniques en phase, de rangs 11, 13, 23, 25 etc...., sont normalement filtrés par la batterie de compensation filtrage F. La figure 8 illustre un ensemble redresseur comportant deux circuits redresseurs dodécaphasés ou groupes Gl, G2, déphasés de entre eux de 15°, ce qui donne une réaction harmonique globale à 24 pulsations. Les harmoniques de rang 11 et 13 qui subsistaient dans les montages dodécaphasés décrits précédemment sont éliminés et les premiers harmoniques qui subsistent ont les rangs 23 et 25. L'avantage d'un tel ensemble redresseur est que les transformateurs TRl.1, TR2.1, TRl.2, TR2.2 des deux groupes sont physiquement identiques .
Les transformateurs TRl.1, TRl .2 reliés aux ponts redresseurs à thyristors PRIa, PRIb, PRIc, PRId possèdent deux primaires, nommés respectivement Pl.1, Pl.2 et Pl.1', Pl.2' et deux secondaires nommés respectivement Sl.1, Sl.2 et Sl.1', Sl.2' .
Les transformateurs TR2.1, TR2.2 reliés aux ponts redresseurs à diodes PR2a, PR2b, PR2c, PR2d possèdent chacun un primaire nommé respectivement P2, P2' .
Les primaires Pl.1, Pl.2, Pl.1', Pl.2' des transformateurs TRl.1, TRl .2 reliés aux ponts redresseurs à thyristors PRIa, PRIb, PRIc, PRId sont couplés respectivement en étoile zigzag et en triangle zigzag pour obtenir à la fois le déphasage de 30° entre les deux secondaires Sl.1, Sl.2, Sl.1', Sl.2' et un déphasage de 7,5° entre chaque transformateur TRl.1, TRl .2 et le réseau R et on permute deux phases du réseau sur un des deux groupes Gl, G2, ce qui inverse le sens du déphasage. Un des groupes est donc déphasé par rapport au réseau de +7,5° et l'autre de -1,5°, soit 15° entre les deux groupes Gl, G2.
Sur l'exemple de la figure 8, on a choisi des couplages dodécaphasés différents pour les secondaires des transformateurs TRl.1, TRl .2 reliés aux ponts redresseurs à thyristors PRIa, PRIb, PRIc, PRId et aux ponts redresseurs à diodes PR2a, PR2b, PR2c, PR2d. Les secondaires Sl.1, Sl.2, Sl.1', Sl.2' reliés aux ponts redresseurs à thyristors PRIa, PRIb, PRIc, PRId sont couplés en triangle identiques à cause de la plus faible tension, le déphasage de 30° des secondaires Sl.1, Sl.2, Sl.1', Sl.2' étant réalisé par des primaires Pl.1, Pl.2 et Pl.1', Pl.2 couplés en étoile zigzag et triangle zigzag. Cette solution conduit à des secondaires découplés, ce qui est préférable pour éviter des ratés de commutation des thyristors .
Pour les secondaires S2.1, S2.2, S2.1', S2.2' des transformateurs TR2.1, TR2.2 reliés aux ponts redresseurs à diodes PR2a, PR2b, PR2c, PR2d, on préfère des couplages triangle et étoile comme illustré sur la figure 6. La tension au secondaire étant plus élevée pour les transformateurs reliés aux ponts redresseurs à diodes que pour les transformateurs reliés aux ponts redresseurs à thyristors, cela rend plus facile le couplage étoile avec un seul primaire P2, P2' étoile zigzag. Ce primaire unique P2, P2' couplé en étoile zigzag rend plus facile d'adjonction de la variante à deux enroulements connectables en série ou en parallèle avec les moyens de commutation MC comme illustré sur les figures 2A, 2B. La configuration de la figure 8, donne des secondaires S2.1, S2.2, S2.1', S2.2' non découplés sans danger avec les diodes. Mais bien entendu, on aurait pu choisir des couplages identiques pour les secondaires des transformateurs reliés aux ponts redresseurs à thyristors et aux ponts redresseurs à diodes.
Le schéma de la figure 8 doit être complété, selon l'invention par les moyens interrupteurs permettant le fonctionnement en roue- libre des ponts redresseurs à diodes PR2a, PR2b, PR2c, PR2d, en utilisant soit la variante des figures 2A ou 6, soit celle de la figure 2B.
Il peut éventuellement être complété avec les moyens de division de la tension délivrée par les transformateurs TR2.1, TR2.2 reliés aux ponts redresseurs à diodes PR2a, PR2b, PR2c, PR2d selon les variantes de figures 4A et 4B ou celle de la figure 4C. Il peut également être complété avec les tertiaires de compensation comme illustré sur les figures 2A, 2B ou 7.
Un avantage du circuit redresseur selon l'invention est son coût plus faible puisque le régleur de prise en charge côté haute tension illustré sur la figure 1 n'est plus utilisé et que la puissance de dimensionnement des transformateurs est plus faible.
Un autre avantage est que le transport et l'installation des transformateurs sont facilités, leur taille étant plus faible.
De plus, la suppression des réactances auto-saturables 5 de la figure 1, normalement intégrées dans les transformateurs 3, implique que les transformateurs utilisés dans le circuit redresseur selon l'invention sont des transformateurs plus conventionnels dont l'approvisionnement est beaucoup plus aisé puisque un plus grand nombre de fournisseurs proposent ce type de transformateur.
Encore un autre avantage du circuit redresseur de l'invention est que la tension continue délivrée peut être augmentée sans être limitée par la technologie des fusibles des diodes ou de thyristors dont sont équipés classiquement les ponts redresseurs. Ce n'était pas le cas dans l'art antérieur puisque toute la puissance transitait par le même pont redresseur .
Un autre avantage est de diminuer les harmoniques produits, d'une part parce que les durées de commutation des ponts redresseur à diodes sont plus longues, d'autre part parce que les harmoniques des deux ponts redresseurs ne sont pas en phase, ce qui permet d'utiliser des transformateurs identiques pour les circuits en parallèle. On diminue aussi les ondulations des courants continus car un pont redresseur à diodes engendre beaucoup moins d'ondulations qu'un pont redresseur à thyristors, ce qui diminue les perturbations vis-à-vis de l'environnement dans les structures liées au champ magnétique des jeux de barres continus.
Un autre avantage concerne la commande du circuit redresseur dans sa plage de régulation rapide et en charge, qui est beaucoup plus simple que par le passé. La structure antérieure utilisait deux moyens coordonnés d'une part le transformateur régleur muni du régleur de prise en charge (OLTC) et d'autre part les réactances auto-saturables ou les thyristors. Le circuit redresseur selon l'invention n'utilise qu'un seul moyen de commande, l'allumage des thyristors du pont redresseur TRl. Il en résulte moins d'études et une exploitation beaucoup plus simple.
La fiabilité du circuit redresseur selon l'invention est accrue et sa maintenance facilitée grâce à la suppression du transformateur régleur. Bien sûr plus de composants semi-conducteurs sont employés mais ce fait, qui peut être considéré comme un inconvénient, a des conséquences bien limitées puisque la tension supportée par chacun des ponts redresseurs est réduite. Bien que plusieurs modes de réalisation de la présente invention aient été représentés et décrits de façon détaillée, on comprendra que différents changements et modifications puissent être apportés sans sortir du cadre de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS
1. Circuit redresseur triphasé comportant deux transformateurs (TRl, TR2) ou plus destinés à être reliés en parallèle côté primaire (Pl, Pl', P2) à un réseau électrique (R) alternatif et côté secondaire (Sl, S2), chacun, à au moins un pont redresseur à semiconducteurs (PRl, PR2), les ponts redresseurs (PRl, PR2) reliés à des transformateurs différents étant montés en série côté continu et étant destinés à alimenter en continu un dispositif utilisateur (10), caractérisé en ce que l'un des ponts redresseurs (PRl) est à thyristors et le ou les ponts redresseurs restants (PR2) sont à diodes, le pont redresseur à diodes ou l'ensemble des ponts redresseurs à diodes (PR2) fournissant une tension supérieure à celle fournie par le pont redresseur à thyristors (PRl) et en ce qu'il comporte un moyen interrupteur (12) associé à chaque pont redresseur à diodes (PR2) comportant un couple de sectionneurs (14, 15) fonctionnant en opposition, raccordé côté continu au pont redresseur à diodes (PR2), permettant dans une position de roue libre d'isoler le pont redresseur à diodes (PR2) du pont redresseur à thyristors (PRl) et dans une autre position de le mettre en série avec le pont redresseur à thyristors (PRl) pour que le pont redresseur fonctionne en redresseur, dans la position de roue libre, du courant circulant dans l'un des sectionneurs (15) du couple (14, 15) qui court-circuite le pont redresseur à diodes et pas dans l'autre sectionneur (14) ni dans le pont redresseur à diodes (PR2) .
2. Circuit redresseur selon la revendication 1, dans lequel un transformateur (TR2) relié à un pont redresseur à diodes (PR2) est équipé de moyens diviseur de tension ((16, 16'), 17) de manière à ce que le pont redresseur à diodes (PR2) auquel il est relié délivre soit une tension pleine soit une fraction de la tension pleine.
3. Circuit redresseur selon la revendication 2, dans lequel les moyens diviseurs de tension comportent une paire de sectionneurs (16, 16') par phase et le transformateur (TR2) possède un primaire formé de deux enroulements primaires identiques (P2, P2'), la paire de sectionneurs (16, 16') étant apte à mettre en série les deux enroulements primaires (P2, P2') pour que le pont redresseur à diodes (PR2) délivre une moitié de la tension pleine ou bien en parallèle, pour que le pont redresseur à diodes (PR2) délivre la tension pleine.
4. Circuit redresseur selon la revendication 3, dans lequel les moyens diviseurs de tension comportent un régleur hors charge (17) à deux prises, par phase, monté au secondaire (S2) du transformateur (TR2) .
5. Circuit redresseur selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel les transformateurs (TRl, TR2) ont des secondaires (Sl, Sl', S2, S2') déphasés de 30° par des couplages appropriés au niveau de leurs secondaires (Sl, Sl', S2, S2') ou de leurs primaires (Pl, P2), les ponts redresseurs (PRl, PR2) étant dodécaphasés et comportent chacun un premier et un second pont redresseur hexaphasé ((PR1.1, PRl.2) et (PR2.1), (PR2.2)), les premiers ponts redresseurs hexaphasés (PRl.1, PR2.1) étant tous montés en un premier ensemble série (PESl), les seconds ponts redresseurs (PRl.2, PR2.2) étant tous montés en un second ensemble série (PES2), le premier ensemble série (PESl) et le second ensemble série (PES2) étant montés en parallèle.
6. Circuit redresseur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel au moins un transformateur (TRl) comporte, par phase, deux primaires (Pl, Pl') et deux tertiaires de compensation
(Tl, Tl'), les deux tertiaires de compensation (Tl,
Tl') étant montés en série et alimentent une unique batterie de compensation filtrage (F) .
7. Ensemble de deux circuits redresseurs (Gl, G2) selon l'une des revendications 1 à 6, avec des ponts redresseurs (PRl, PR2, PRl', PR2') dodécaphasés, dans lequel les transformateurs (TRl.1, TR2.1) d'un circuit redresseur (Gl) sont identiques aux transformateurs (TRl.2, TR2.2) de l'autre circuit redresseur (G2) et dans lequel les primaires (Pl.1, Pl.2, P2, Pl.1', Pl.2', P2') des transformateurs sont déphasés de 7,5° par rapport au réseau (R), deux phases du réseau (R) étant permutées entre les primaires des transformateurs d'un des circuits et les primaires des transformateurs de l'autre circuit, de manière à ce que le déphasage des primaires (Pl.1, Pl.2, P2) des transformateurs (TRl.1, TR2.1) d'un circuit (Gl) soit positif par rapport au réseau (R) et le déphasage des primaires (Pl.1', Pl.2', P2') des transformateurs
(TRl.2, TR2.2) de l'autre circuit (G2) soit négatif par rapport au réseau (R) .
8. Procédé de commande d'un circuit redresseur selon l'une des revendications 1 à 6 comportant pour le faire fonctionner les étapes consistant à : a) connecter le dispositif utilisateur (10) au circuit redresseur et le transformateur (TRl) relié au pont redresseur à thyristors (PRl) au réseau (R) mais pas le ou les transformateurs (TR2) reliés au pont redresseur à diodes (PR2), b) réguler le courant circulant dans le dispositif utilisateur (10) par commande des thyristors du pont redresseur à thyristors (PRl), c) lorsque la tension demandée par le dispositif utilisateur (10) dépasse la tension maximale que peut fournir le pont redresseur à thyristors (PRl), commander les thyristors du pont redresseur à thyristors (PRl) pour diminuer au maximum le courant dans le dispositif utilisateur, le sectionneur (15) qui lorsqu' il est fermé court-circuite le pont redresseur à diodes (PR2), étant ouvert et l'autre sectionneur (14) du couple étant fermé, d) connecter au réseau (R) un transformateur (TR2) relié à un pont redresseur à diodes (PR2), si le transformateur (TR2) relié au pont redresseur à diodes (PR2) est équipé de moyens diviseurs de tension (MC) , ces derniers sont positionnés au préalable pour que le transformateur (TR2) délivre la tension moitié, e) réguler le courant circulant dans le dispositif utilisateur (10) par commande des thyristors du pont redresseur à thyristors (PRl), f) lorsque la tension demandée par le dispositif utilisateur (10) dépasse la tension maximale que peuvent fournir les ponts redresseurs (PRl, PR2 ) connectés au réseau (R) , commander les thyristors du pont redresseur à thyristors (PRl) pour diminuer au maximum le courant dans le dispositif utilisateur (10), le sectionneur (15) qui lorsqu'il est fermé court- circuite le pont redresseur à diodes (PR2), étant ouvert et l'autre sectionneur (14) du couple étant fermé, g) si le transformateur (TR2) relié au pont redresseur à diodes (PR2) qui est connecté comporte des moyens diviseurs de tension (MC) et qu'ils sont positionnés pour qu'il délivre la tension moitié, le déconnecter et le régler en positionnant ses moyens diviseurs de tension (MC) de manière à ce qu' il délivre la pleine tension, h) reconnecter le transformateur (TR2) relié au pont redresseur à diodes (PR2) ainsi réglé au réseau (R) , i) réguler le courant circulant dans le dispositif utilisateur (10) par commande des thyristors du pont redresseur à thyristors (PRl), j) si le circuit redresseur possède un autre transformateur (TR3) relié à un pont redresseur à diodes (PR3) non encore connecté au réseau (R) et que la tension demandée par le dispositif utilisateur (10) dépasse la tension maximale que peuvent fournir les ponts redresseurs (PRl, PR2) connectés au réseau (R), commander les thyristors du pont redresseur à thyristors (PRl) pour diminuer au maximum le courant dans le dispositif utilisateur (10), le sectionneur (15) qui est monté en parallèle avec le pont redresseur à diodes (PRl) étant ouvert et l'autre sectionneur (14) du couple étant fermé, k) connecter l'autre transformateur (TR3) relié à un pont redresseur à diodes (PR3) , si cet autre transformateur (TR3) relié au pont redresseur à diodes
(PR3) est équipé de moyens diviseurs de tension (MC) , positionner ces derniers au préalable pour que cet autre transformateur délivre la fraction de tension, puis la tension pleine, 1) répéter les étapes e) à k) jusqu'à ce que tous les transformateurs reliés à un pont redresseur à diodes soient tous connectés au réseau et qu' ils soient tous réglés pour fournir la pleine tension .
9. Procédé de commande d'un circuit redresseur selon la revendication 8, comportant pour arrêter son fonctionnement les étapes consistant à : m) commander les thyristors du pont redresseur à thyristors (PRl) pour diminuer au maximum le courant dans le dispositif utilisateur (10), n) déconnecter du réseau (R) tout transformateur (TR2) relié à un pont redresseur à diodes (PR2), puis le transformateur (TRl) relié au pont redresseur à thyristors (PRl) o) déconnecter le dispositif utilisateur
(10) du circuit redresseur.
10. Utilisation d'un circuit redresseur selon l'une des revendications 1 à 6, avec comme dispositif utilisateur (10) une ou plusieurs séries de cuves d' électrolyse d'aluminium.
11. Utilisation d'un ensemble de circuits redresseurs (Gl, G2) selon la revendication 7, avec comme dispositif utilisateur (10) une ou plusieurs séries de cuves d' électrolyse d'aluminium.
12. Utilisation du procédé selon la revendication 8, avec comme dispositif utilisateur (10) une ou plusieurs séries de cuves d' électrolyse d' aluminium.
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