FR2970127A1 - Redresseur de forte puissance a faible desequilibre en courant - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un redresseur polyphasé de forte puissance comportant des bras redresseurs, chacun comprenant un ensemble de composants électroniques monodirectionnels (5), montés en parallèle, reliés d'un côté à une phase correspondante d'un système de tensions polyphasé, et d'un autre côté à un conducteur composant (109) couplé électriquement à une borne DC d'un circuit (205) apte à alimenter en courant continu un système extérieur (207). Les bras redresseurs sont alimentés par un système polyphasé équilibré, et les conducteurs composants (109) desdits bras redresseurs convergent pour se combiner en une même zone de j onction (Z + formant une étoile de redresseurs (203 ladite zone de jonction étant couplée à ladite borne DC.

Description

REDRESSEUR DE FORTE PUISSANCE À FAIBLE DÉSÉQUILIBRE EN COURANT

DESCRIPTION

DOMAINE TECHNIQUE La présente invention est relative au domaine des redresseurs de puissance de forte intensité et/ou haute ou moyenne tension. Ce domaine couvre des redresseurs pouvant délivrer des courants continus allant jusqu'à 110 kA et au-delà, et des tensions continues pouvant dépasser 2200V. L'invention se rapporte à l'architecture des redresseurs de forte puissance, de l'ordre d'une centaine de MVA, utilisés pour l'alimentation électrique en courant continu de procédés électrointensifs nécessitant des alimentations continues de forte puissance. On peut ainsi utiliser l'invention pour alimenter des usines d'électrolyse d'aluminium ou d'électrolyse de métaux non ferreux (cuivre, zinc, Chlore). On peut aussi utiliser l'invention pour alimenter d'autres procédés électro-intensifs nécessitant des alimentations continues de forte puissance tels que des fours à arc à courant continu. Dans la suite de la description, il sera pris, comme exemple particulier, l'utilisation de tels redresseurs pour 1' alimentation d'une usine d'électrolyse. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Une alimentation électrique pour une usine d'électrolyse est constituée d'une mise en parallèle de plusieurs sources d'alimentation appelées communément groupes. Le principe de fonctionnement d'un groupe d'alimentation est illustré en figure 1. Ce groupe d'alimentation est constitué principalement - d'un transformateur de réglage 1 permettant d'ajuster une tension de réseau à une 10 tension intermédiaire, - d'un transformateur, dit transformateur redresseur 2, permettant d'ajuster la tension intermédiaire à une tension hors charge adéquate dépendant de la valeur de la tension de charge induite 15 par l'usine à alimenter et de délivrer les fortes intensités nécessaires au procédé d'électrolyse, - d'un redresseur 3 à composants semiconducteurs (diodes ou thyristors) permettant de délivrer un courant et une tension redressés continus à 20 la charge, - d'un jeu de barres de puissance 4 permettant la mise en parallèle des différents groupes d'alimentation. La figure 2 montre un exemple de 25 réalisation d'un redresseur 3 à diode dodécaphasé, de type double pont de Graètz. C'est-à-dire que le convertisseur redresseur regroupe deux structures à pont de Graètz R1 et R2, chacune reliée à un transformateur parmi un premier transformateur triphasé 30 Tl, et un second transformateur triphasé T2. Chaque transformateur triphasé Tl, T2 comporte trois phases, Ul, VI et Wl pour le premier transformateur triphasé Tl et U2, V2 et W2 pour le second transformateur triphasé T2. Chaque transformateur triphasé alimente un pont de Graêtz triphasé. Chaque pont de Graétz triphasé fonctionne comme un pont de Graêtz monophasé comportant trois bornes alimentées en courant alternatif, dites bornes AC, et deux bornes dégageant un courant continu. Un pont de Graêtz triphasé permet de sortir un courant comportant une périodicité valant un sixième d'une périodicité initiale du transformateur triphasé. Chaque phase Ul, V1, Wl et U2, V2, W2 est reliée au pont de Graètz au moyen d'une des bornes AC précitées. Par esprit de simplification, les bornes AC et les phases ont les mêmes références.

Sur la figure 2, les deux bornes AC d'une même phase sont représentées liées pour simplifier la lecture du schéma. Les deux ponts de Graètz triphasés sont reliés en deux bornes DC communes, une borne DC positive DC+, et une borne DC négative DC-. Ces bornes DC permettent de délivrer un courant et une tension continus à l'usine à alimenter. Chaque pont de Graêtz (R1, R2) comporte six bras, dits bras redresseurs Ul+, Ul-, Vl+, Vl-, Wl+, Wl-, U2+, U2-, V2+, V2-, W2+, W2-, agencés de façon à relier chaque phase Ul, V1, Wl et U2, V2, W2 à chacune des deux bornes DC (DC+, DC-). Ainsi, chaque bras redresseur d'un pont de Graêtz est monté entre une borne AC et une borne DC.

Chaque bras redresseur Ul+, Ul-, Vl+, Vi-, Wl+, Wl-, U2+, U2-, V2+, V2-, W2+, W2-, est lui-même formé d'une mise en parallèle de n composants électroniques monodirectionnels 5, par exemple des diodes ou des thyristors. Les composants électroniques monodirectionnels sont appelés ainsi en ce qu'ils ne laissent passer le courant que dans un seul sens et bloquent le courant venant en sens inverse. Dans la suite, on dira « composant monodirectionnel 5 » pour définir de façon indifférente une diode, un thyristor ou un autre composant électronique monodirectionnel.

On procède à cette mise en parallèle de composants afin d'obtenir un élément fonctionnant comme une diode tout en ayant un calibre suffisant pour redresser la puissance traversant le redresseur 3. Les n composants monodirectionnels 5 sont traditionnellement reliés électriquement d'un côté à une même structure conductrice, dite barre composant 9, qui permet de transmettre un courant entre les composants monodirectionnels 5 et la borne DC. Chaque composant monodirectionnel 5 est de préférence relié en série de l'autre côté avec une résistance fusible, dite fusible 7. Les fusibles servent à couper un courant de défaillance circulant à travers un composant monodirectionnel 5 défaillant, protégeant ainsi le bras redresseur. Un tel composant monodirectionnel défaillant laisse passer du courant en sens inverse de celui normalement accepté par le composant monodirectionnel 5. Cela limiterait l'intérêt du bras redresseur. Si un seul composant monodirectionnel est défaillant, un courant circule en sens inverse dans ledit composant monodirectionnel défaillant et dans le fusible qui lui est adjoint avec une puissance correspondant à toute la puissance du transformateur. Cette puissance détruit le fusible 7, ce qui coupe la liaison électrique passant par le composant monodirectionnel 5 défectueux. Le courant passant en sens inverse est alors coupé. Le composant monodirectionnel 5 défectueux est mis hors circuit et, bien que le défaut soit apparu, on obtient un bras redresseur fonctionnel, avec un composant monodirectionnel 5 en moins.

Lorsque l'on désire augmenter la puissance circulant dans le redresseur 3, il est nécessaire d'augmenter la tension ou l'intensité. Lorsqu'on augmente la valeur de la tension redressée, (pour atteindre des valeurs typiques de 2200 Vdc), il est nécessaire d'utiliser des diodes ou des thyristors 5 ayant une forte tenue en tension inverse. Cependant, la technologie des composants électroniques actuels ne permet pas d'avoir des diodes ou des thyristors 5 avec des calibres de courant élevé.

Il est nécessaire de positionner, comme décrit plus haut, de multiples composants monodirectionnels 5 montés en parallèle. Si l'on désire augmenter l'intensité du courant redressé, on doit aussi augmenter le nombre de composants monodirectionnels 5 montés en parallèle. Ainsi, pour un redresseur 2200 Vdc-100 kA, il est nécessaire de mettre entre 18 et 20 diodes ou thyristors en parallèle par bras redresseur suivant le type de composant électronique utilisé et les conditions de fonctionnement.

De plus, il est très difficile d'avoir des fusibles 7 de très fort calibre en courant lorsqu'on augmente la tension redressée. Ceci conduit à une limitation du courant élémentaire pouvant traverser chaque fusible 7. Il est alors nécessaire de limiter le courant passant dans chaque composant monodirectionnel 5 et cela induit une augmentation du nombre de groupes fonctionnels composant-fusible montés en parallèle. Une telle mise en parallèle des composants pose des problèmes d'équilibrage du courant entre les composants monodirectionnels 5 d'un même bras redresseur. La figure 3 donne un exemple de répartition de courant pour un bras redresseur comportant n diodes dans le cadre d'une réalisation typique. En abscisse est reporté un numéro d'ordre attribué à chacune des diodes présentes sur un bras redresseur en partant d'une des extrémités d'une barre composant. En ordonnée est représentée une valeur de courant I porté par chaque diode. On observe qu'une des diodes est moins chargée que les autres et est traversée par un courant Imin, et qu'au moins une autre est plus chargée que les autres et est traversée par un courant Imax. Un courant moyen Imoy est donné par le courant total traversant le bras redresseur divisé par le nombre n de composants monodirectionnels 5 en parallèle.

On définit un pourcentage de déséquilibre d% par la formule suivante : d% = Max (11max /Imoy-ll ; Ilmin/Imoy-ll). Du fait de ce déséquilibre entre les diodes les moins chargées et les plus chargées en courant du bras redresseur, il est nécessaire de dimensionner l'ensemble des composants d'un bras redresseur pour qu'ils puissent supporter une intensité de valeur Imax, bien que peu de composants aient réellement besoin de faire passer une telle intensité. La figure 4 donne quelques valeurs typiques de déséquilibre d% obtenues sur des structures actuelles en fonction d'un nombre n de diodes présentes sur la barre composant du bras redresseur. La valeur de d% dépend principalement de la structure mécanique du redresseur.

On observe que la valeur du déséquilibre d% croît très vite avec le nombre n de composants en parallèle, ce qui induit de très grandes variations de courant d' une diode à l'autre. Quand on veut redresser une forte puissance, il faut ajouter des composants monodirectionnels 5 en parallèle. Cela augmente le déséquilibre. En conséquence, la valeur de courant moyen Imoy passant à travers les composants monodirectionnels 5 diminue. Il devient nécessaire d'ajouter encore des composants monodirectionnels 5 en parallèle afin de composer avec la valeur réduite de Imoy, ce qui accentue encore le déséquilibre. Finalement, au-delà d'une certaine valeur de courant, les structures actuelles de redresseur ont un nombre n de composants monodirectionnels 5 à mettre en parallèle qui conduit à un déséquilibre prohibitif. Or, il est fréquent que les utilisateurs de ce type de redresseur 3 imposent un déséquilibre d% maximal à ne pas dépasser dans les redresseurs. Ce critère de déséquilibre est un critère d'acceptation de l'équipement.

Si l'on veut proposer des équipements capables de délivrer des puissances importantes, il devient nécessaire de créer des architectures de redresseur permettant dans chaque bras redresseur une mise en parallèle d' un nombre n important de diodes ou de thyristors tout en présentant un déséquilibre limité, typiquement 30%. Selon l'état de la technique, pour la mise en parallèle, les composants monodirectionnels 5 d'un bras redresseur sont généralement reliés à la borne DC via un cadre 8 en aluminium ou en cuivre (figure 5). Il existe dans l'état de l'art actuel différentes manières de réaliser ce cadre 8, l'objectif étant d'équilibrer la distribution des impédances entre les différents composants monodirectionnels 5 et la borne DC. La figure 5 illustre de façon structurelle un redresseur dodécaphasé à double pont de Graétz où chaque pont de Graétz redresse trois phases Ul, V1, Wl et U2, V2, W2 alimentées en courant alternatif. En sortie, le double pont de Graétz fournit en deux bornes DC, DC+ et DC-, un courant continu. Les composants monodirectionnels 5 d'un bras redresseur sont reliés d'un côté à une barre conductrice appelée communément barre composant 9. Le courant circulant dans les différents bras redresseurs est collecté par une ou plusieurs barres conductrices, appelées barres collectrices 10, faisant partie du cadre 8 précité et perpendiculaires aux barres composant 9. Chaque extrémité d'une barre composant 9 est reliée à une barre collectrice 10. Les barres collectrices 10 forment alors deux côtés opposés du cadre 8 et relient les barres composant 9 à une borne DC (DC+ ou DC-) du redresseur. Les barres composants 9 et les barres collectrices 10 sont généralement des barres en cuivre ou en aluminium extrudées, (avec des canaux de circulation d'eau pour le refroidissement), et soudées entre elles. Une résistance fusible 7 est reliée à un côté de chaque composant monodirectionnel 5, le composant monodirectionnel 5 étant en série entre la résistance fusible 7 et la barre collectrice 10. Les résistances fusibles 7 sont portées par une barre conductrice, appelée barre fusible 11, en cuivre ou en aluminium, refroidie à l'eau. Il y a une barre fusible 11 par bras redresseur. La barre fusible 11 relie les composants monodirectionnels 5, par l'intermédiaire des résistances fusibles 7 à une borne AC correspondante du redresseur. Un composant monodirectionnel 5 et la résistance fusible 7 associée forment un groupe fonctionnel.

La figure 6 illustre de façon structurelle la partie positive, appelée polarité positive, d'un redresseur 3 dodécaphasé. Cette polarité positive est constituée d'un cadre métallique 8 comportant six bras redresseurs Ul+, Vl+, Wl+, U2+, V2+, W2+ reliées à la borne DC+ du redresseur 3, comme indiqué aussi sur les figures 2 et 5. Pour des raisons de gain d'encombrement, chaque bras redresseur comporte généralement un nombre pair de groupes fonctionnels (associations composants-fusibles) disposés sur deux faces opposées de la barre composant 9. Ces deux faces opposées sont dans la suite appelées « face droite et « face gauche ». Les composants placés sur la face droite (respectivement, face gauche) seront nommés par la suite « diodes droites » (respectivement, « diodes gauches »).

Les barres collectrices 101a à 106a pour la partie du redresseur reliée aux bornes Ul, Vl, Wl d' un premier transformateur et les barres collectrices 101b à 106b pour la partie du redresseur reliée aux bornes U2, V2, W2 d'un second transformateur sont parcourues par les intensités de courants i6a, et i6b. A titre d'exemple, le courant traversant le bras redresseur Ul+ traverse en partant de la borne Ul : une barre fusible 11, (dans laquelle le courant se répartit entre les différents groupes fonctionnels), un fusible 7, un composant monodirectionnel 5, en série avec le fusible 7, et une barre composant 9, (dans laquelle le courant des différents groupes fonctionnels est rassemblé pour former le courant ila). Ensuite, le courant ila quitte le bras redresseur et atteint la barre collectrice 101a du cadre 8. Le courant i2a circulant dans la barre collectrice 102a est issu de la même manière du bras redresseur voisin Vl+ et ainsi de suite. Enfin, les courants issus des différentes phases du redresseur 3 se regroupent dans une barre collectrice centrale 13 de sortie de courant qui constitue la polarité positive du redresseur 3. Du fait de la symétrie de l'architecture, les intensités de courant circulant dans les barres collectrices aux deux extrémités d'un même bras redresseur sont égales. Ainsi, lia= i4a ; i2a= 15a ; in= i4b- Les courants ila,", i6b sont des courants variables en fonction du temps. La figure 7 illustre l'allure typique des courants ila(t), i2a(t), i3a(t) mesurés sur le redresseur 3 de la figure 6. Du fait de l'architecture du redresseur 3, ces courants ne possèdent pas des variations temporelles d'allure identique. En effet, étant donné que la barre centrale 13 collecte la somme des courants issus des différentes phases, la barre collectrice 103a (respectivement 103b) qui est la plus proche de la barre centrale 13 est parcourue par un courant i3a (respectivement, presque continu. Ce courant comporte une ondulation résiduelle de courant de type six pulses. La barre collectrice 10la (respectivement 101b) est parcourue par un courant identique à celui du bras redresseur Ul+ (respectivement, U2+). La barre collectrice 102a (respectivement 102b) collecte quant à elle la somme des courants redressés des bras redresseurs Ul+ et Vl+ (respectivement, U2+ et V2+). Par ailleurs, du fait des couplages inductifs qui existent entre les différentes barres collectrices et les différents composants électroniques (groupes fonctionnels) des bras redresseurs, ces derniers sont très sensibles aux variations de courant qui existent dans les barres collectrices 10la-106b. La variation de courant, par exemple dans la barre collectrice 101a, induit dans un composant électronique d'un bras redresseur une force électromotrice e donnée par la formule e=Mdiia/dt, M étant l'inductance mutuelle entre la barre collectrice 101a et le composant électronique du bras redresseur considéré. L'inductance mutuelle M dépend d'un certain nombre de paramètres, comme l'orientation relative de la barre collectrice et du composant électronique considéré, la distance relative entre la barre collectrice et le composant électronique ou bien encore la longueur de la barre collectrice. En outre, il a été observé sur ce type de redresseur 3 un fort déséquilibre de courant entre les composants électroniques d'un même bras, suivant leur position par rapport à l'extrémité du bras redresseur. Ce déséquilibre est d'autant plus important que le courant redressé augmente. Il croît avec le nombre de composants en parallèle sur un même bras redresseur. De plus, on a pu observer que même les diodes droite et gauche situées à la même position par rapport à l'extrémité du bras redresseur ne portent pas la même intensité de courant. Ce déséquilibre, qui peut représenter jusqu'à 50% du déséquilibre en courant total du redresseur est appelé déséquilibre droite-gauche. Actuellement, il existe plusieurs types de redresseurs de forte puissance qui peuvent être classés de manière générale, en deux catégories : structure en peigne (figure 9) et structure en cadre (figures 6 et 8) . La figure 8 illustre un autre mode de réalisation d'un redresseur 3 de forte puissance selon une structure en cadre formée par les barres collectrices 101-103. Cette variante présente les mêmes inconvénients que celui de la figure 6. La figure 9 illustre un redresseur de forte puissance selon une architecture de cadre dite en « peigne », car les barres collectrices 101-105 et les barres composants 9 sont en forme de peigne. Cette structure présente également les mêmes inconvénients que ceux des figures 6 et 8. Les barres collectrices 101-105 voient toujours circuler des courants alternatifs qui perturbent le fonctionnement des barres composants 9. Actuellement, il existe des redresseurs comportant jusqu'à 14 diodes ou thyristors en parallèle par bras redresseur. Les structures précitées, connues de l'état de la technique, ne sont pas satisfaisantes du fait qu' il n' est guère possible d' aller au-delà de 16 composants en parallèle sans avoir un déséquilibre devenant prohibitif. D'autre part, ces structures deviennent très volumineuses et donc coûteuses à réaliser lorsque l'intensité du redresseur dépasse 80kA. En effet, lorsque l'intensité du redresseur augmente, l'intensité portée par les barres collectrices augmente dans les 25 mêmes proportions, et les variations de courant des barres collectrices viennent perturber très fortement le fonctionnement des bras redresseurs en induisant des déséquilibres de courant entre les différentes associations composants-fusibles des bras redresseurs, 30 y compris entre les diodes droites et gauches. 20 L'objet de la présente invention est par conséquent de proposer une architecture d'un redresseur de forte puissance permettant de remédier au problème de déséquilibre entre les différentes associations composants-fusibles. Par la même occasion, il est avantageux de limiter l'encombrement des structures.

EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention concerne un redresseur polyphasé de forte puissance comportant des bras redresseurs, chacun comprenant un ensemble de composants électroniques monodirectionnels, montés en parallèle, reliés d'un côté à une phase correspondante d' un système de tensions polyphasé, et d' un autre côté à un conducteur composant couplé électriquement à une borne DC d'un circuit apte à alimenter en courant continu un système extérieur. Les bras redresseurs sont alimentés par un système polyphasé équilibré et les conducteurs composants desdits bras redresseurs convergent pour se combiner en une même zone de jonction formant une étoile de redresseurs, ladite zone de jonction étant couplée à ladite borne DC. La disposition en étoile permet à tous les courants variables issus des différents bras redresseurs de l'étoile de se combiner de manière quasi-ponctuelle dans la zone de jonction pour former un courant continu ne perturbant donc pas le fonctionnement des composants électroniques. L'invention vise également un convertisseur-redresseur comportant une pluralité de redresseurs selon les caractéristiques ci-dessus et comportant en outre une structure de collection de courant connectant les zones de jonction d'une pluralité d'étoiles de redresseurs à ladite borne DC. Ainsi, le courant circulant dans la structure de collection de courant est un courant continu ne présentant pratiquement pas de variation et par conséquent, n'engendrant aucun déséquilibre entre les différents composants électroniques. Avantageusement, ledit système polyphasé équilibré alimentant chaque étoile de redresseurs comporte un ou plusieurs ensembles de tension polyphasés équilibrés. Ceci permet d'augmenter la compacité de la structure en associant plusieurs ensembles de redresseurs dans une même unité. En outre, les étoiles de redresseurs peuvent comporter un même nombre de bras redresseurs et/ou un nombre différent de bras redresseurs. Ceci permet de regrouper dans un même convertisseur-redresseur, des étoiles de redresseurs pouvant être alimentées par différents types de tensions polyphasés. Les systèmes polyphasés alimentant la pluralité des étoiles de redresseurs peuvent comporter des systèmes polyphasés en phase et/ou des systèmes polyphasés déphasés entre eux. Ceci permet d'adapter le redresseur à différents systèmes polyphasés. Selon un aspect de la présente invention, ladite structure de collection de courant comporte une pluralité de barres collectrices reliant les zones de jonction de la pluralité d'étoiles de redresseurs selon un réseau en étoile autour de ladite borne DC. Selon un autre aspect de la présente invention, ladite structure de collection de courant comporte une barre collectrice reliant en série les zones de jonction de la pluralité d'étoiles de redresseurs à ladite borne DC. Avantageusement, ladite structure de collection de courant est constituée d'un alliage moulé. Les structures en réseau et/ou en série permettent d'avoir un convertisseur-redresseur modulable. De plus, la structure présente un volume optimal et facilement configurable pour s'adapter à son environnement. Selon un premier mode de réalisation, pour au moins une étoile de redresseurs, les conducteurs composants sont constitués de barres composants qui s'unissent dans ladite zone de jonction.

Avantageusement, pour chaque barre composant, les composants sont répartis en deux groupes, positionnés chacun d'un côté opposé de la barre composant. Selon un autre aspect de la présente invention, ladite structure de collection de courant comporte au moins une barre collectrice coaxiale reliant de manière coaxiale les zones de jonction de la pluralité d'étoiles de redresseurs à ladite borne DC. Ceci permet de réduire le diamètre extérieur du redresseur.

Avantageusement, ladite barre collectrice est de forme tubulaire adapter pour faire circuler un fluide de refroidissement. Ceci permet de simplifier le circuit de 5 refroidissement. Selon un deuxième mode de réalisation, pour au moins une étoile de redresseurs, les barres composants sont connectées perpendiculairement à ladite barre collectrice. 10 Ceci permet de réduire l'encombrement tout en diminuant le diamètre extérieur du redresseur. Selon un troisième mode de réalisation, pour au moins une étoile de redresseurs, les barres composants sont connectées parallèlement à ladite barre 15 collectrice. Ceci permet de simplifier la structure tout en diminuant davantage le diamètre extérieur du redresseur. Selon un quatrième mode de réalisation, 20 pour au moins une étoile de redresseurs, les conducteurs composants sont constitués d'une seule pièce de conduction dont la partie centrale correspond à la zone de jonction connexe à ladite barre collectrice. 25 Avantageusement, les composants électroniques monodirectionnels des bras redresseurs sont équitablement répartis sur ladite pièce de conduction. Avantageusement, les composants 30 électroniques monodirectionnels sont reliés à la phase correspondante par l'intermédiaire d'une liaison comprenant un ensemble fusible qui comporte un fusible par composant monodirectionnel relié d'un côté en série avec ledit composant monodirectionnel et de l'autre côté à au moins une barre fusible raccordée à ladite phase correspondante. Avantageusement, le convertisseur-redresseur comporte au moins un transformateur redresseur générant au moins un ensemble de tensions polyphasées équilibré alimentant les étoiles de redresseurs. L'invention vise également un groupe d'alimentation électrique comportant un convertisseur-redresseur et comportant en outre un transformateur de réglage relié d'un côté à un réseau électrique et de l'autre côté audit transformateur redresseur pour lui fournir une tension intermédiaire ajustée.

BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS L'invention sera mieux comprise, et d'autres détails, avantages et caractéristiques de celle-ci apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels La figure 1 est un schéma électrique 25 simplifié d'une architecture d'alimentation d'usine en courant continu, selon l'art antérieur, la figure 2 est un schéma électrique d'un redresseur à pont de Graètz comportant en entrée trois phases alimentées en courant alternatif, selon l'art 30 antérieur, la figure 3 est un graphique représentant le courant traversant un composant en fonction de sa position sur une barre composant, selon l'art antérieur, la figure 4 est un graphique illustrant l'évolution du déséquilibre entre les composants en fonction du nombre de composants présents sur une même barre composant, selon l'art antérieur, les figures 5 et 6 illustrent un redresseur détaillant, de façon simplifiée, la structure des bras redresseurs au niveau des barres composants et des barres collectrices, selon l'art antérieur, la figure 7 est un graphique illustrant l'allure des courants sur les barres collectrices d'un 15 redresseur, selon l'art antérieur, les figures 8 et 9 illustrent d'autres types de redresseurs, selon l'art antérieur, la figure 10 illustre, de manière très schématique, la structure d'un redresseur polyphasé, 20 selon l'invention. les figures 11 à 13 illustrent, de manière schématique, la structure des étoiles de redresseurs, selon un premier mode de réalisation de l'invention, Les figures 14 et 15 illustrent, de manière 25 schématique, les liaisons entre des étoiles de redresseurs, selon l'invention, la figure 16 illustre, de manière schématique, la structure d'une étoile de redresseurs selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, 30 la figure 17 illustre, de manière schématique, la structure d'une étoile de redresseurs selon un troisième mode de réalisation de l'invention, et les figures 18 à 20 illustrent, de manière schématique, la structure des étoiles de redresseurs selon un quatrième mode de réalisation de l'invention. Des parties identiques, similaires ou équivalentes des différentes figures 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. Les figures illustratives des différents modes de réalisation du dispositif selon l'invention sont données à titre d'exemple et ne sont pas limitatives.

EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Le principe à la base de l'invention est de combiner directement en un seul noeud les courants issus des différents bras redresseurs. En premier lieu, l'invention concerne un redresseur polyphasé (par exemple, triphasé, dodécaphasé, ou autre) destiné à être inclus dans un convertisseur-redresseur qui lui, est destiné à être inclus dans un groupe d'alimentation électrique. La figure 10 illustre de manière très schématique la structure d'un dispositif redresseur 203 polyphasé de forte puissance, selon l'invention. Ce dispositif redresseur 203 est destiné à délivré un courant continu à un circuit 205 apte à alimenter en courant continu un système extérieur 207. Ce dispositif comporte des bras redresseurs Ul+,_,W2- alimentés par un système de tensions polyphasé (Tl, T2). Chaque bras redresseur comprend un ensemble de composants électroniques monodirectionnels 5 (par exemple des diodes ou des thyristors) ne laissant passer le courant que dans un seul sens. Les composants électroniques monodirectionnels 5 de chaque bras redresseur Ul+,_,W2- sont montés en parallèle, reliés d'un côté à une phase correspondante Ul,_W2 du système de tensions polyphasé (Ti, T2), et d'un autre côté à une même structure conductrice, dite conducteur composant 109, couplée électriquement à une borne DC positive DC+ ou une borne DC négative DC- du circuit 205 alimentant le système extérieur 207. Conformément à l'invention, les bras redresseurs Ul+,_,W2- sont alimentés par un système polyphasé (Ti, T2) équilibré, on dira alors que ce sont des bras redresseurs équilibrés, et les conducteurs composants 109 de ces bras redresseurs Ul+,_,W2-équilibrés convergent pour se combiner en une même zone de jonction (Z+, Z-) couplée à la borne DC (DC+, DC-) correspondante. Ainsi, les courants issus des bras redresseurs Ul+,_,W2- équilibrés se combinent directement grâce aux conducteurs composants 109, dans la zone de jonction (Z+, Z-) pour débiter un courant continu. Plus particulièrement, la figure 10 illustre l'exemple d'un dispositif redresseur 203 à diode dodécaphasé, de type double pont de Graétz triphasé. Ainsi, selon cet exemple, le dispositif redresseur 203 est formé de six bras redresseurs Ul+, Ul-, Vl+, Vl-, Wl+, Wl-, U2+, U2-, V2+, V2-, W2+, W2-reliant chacune des deux bornes AC de chacune des trois phases (Ul, V1, Wl) ou (U2, V2, W2), du système de tensions (Tl, T2) dodécaphasé équilibré, aux deux bornes DC (DC+, DC-) du circuit 205 électrique alimentant en courant continu le système extérieur 207. Chaque pont de Graètz triphasé a donc une borne DC positive DC+, vue avec une polarité positive par le circuit électrique, et une borne DC négative DC-vue avec une polarité négative par le circuit électrique. Chaque phase Ul, V1, Wl, U2, V2, W2 comporte deux bras redresseurs Ul+, Ul-, Vl+, Vl-, Wl+, Wl-, U2+, U2-, V2+, V2-, W2+, W2- reliant une borne AC d'une phase et une des deux bornes DC. Chaque bras redresseur Ul+, Ul-, Vl+, Vl-, Wl+, Wl-, U2+, U2-, V2+, V2-, W2+, W2- comporte un ensemble de composants électroniques monodirectionnels 5. Les composants électroniques monodirectionnels 5 de chaque bras redresseur Ul+, Ul-, Vl+, Vl-, Wl+, Wl-, U2+, U2-, V2+, V2-, W2+, W2- sont reliés électriquement d'un côté au conducteur composant 109, qui permet de transmettre un courant entre les composants monodirectionnels 5 et la borne DC du circuit 205. Chaque composant monodirectionnel 5 est relié en série de l'autre côté avec une résistance fusible, dite fusible 7.

Les bras redresseurs Ul+, Ul-, Vl+, Vl-, Wl+, Wl-, U2+, U2-, V2+, V2-, W2+, W2- alimentés par le système dodécaphasé (Tl, T2) équilibré sont agencés afin que leur conjugaison produise, à partir d'un courant alternatif fourni aux bornes AC, un courant continu aux bornes DC. Plus particulièrement, les conducteurs composants 109 des bras redresseurs Ul+, VI+, Wl+, U2+, V2+, et W2+ convergent pour se combiner en un même noeud formé par une première zone de jonction Z+ définissant ainsi des « branches de redresseurs ou une « étoile de redresseurs ». De manière équivalente, les conducteurs composants 109 des bras redresseurs Ul-, Vl-, Wl-, U2-, V2-, et W2- convergent pour se combiner en un autre noeud formé par une seconde zone de jonction Z- définissant d'autres branches ou étoile de redresseurs. Autrement dit, les courants alternatifs circulant dans les bras redresseurs Ul+, Vl+, Wl+, U2+, V2+, et W2+ se combinent directement et de manière ponctuelle dans la première zone de jonction Z+ connexe à la borne DC+ et les courants alternatifs circulant dans les bras redresseurs Ul-, Vl-, Wl-, U2-, V2-, et W2- se combinent également directement et de manière ponctuelle dans la seconde zone de jonction Z- connexe à la borne DC-.

Ainsi, il n'y a plus de courants variables intermédiaires entre les courants alternatifs des bras redresseurs équilibrés et le courant continu issu des bornes DC. Par conséquent, il n'y a plus de variation de champ magnétique pour perturber le fonctionnement des bras redresseurs.

Les figures 11 à 20 illustrant l'invention, sont des schémas de la partie du dispositif redresseur 203 reliée à l'une des deux bornes DC (DC+ ou DC-) et non du dispositif redresseur dans son ensemble. Bien entendu, les polarités positive et négative du redresseur sont similaires comme illustré sur la figure 10. La figure 11 illustre de manière schématique la structure d'un premier mode de réalisation de la polarité positive d'un dispositif redresseur 203 polyphasé en forme d'étoile. Le dispositif redresseur 203 peut être constitué d'un nombre quelconque de bras redresseurs disposés en étoile et alimentés par un ou plusieurs ensembles de tensions équilibrés. Selon ce premier mode de réalisation, les conducteurs composants 109 sont constitués de barres composants 109 qui s'unissent dans la zone de jonction Z+. La structure en étoile peut être avantageusement réalisée par moulage d'aluminium.

Plus particulièrement, cet exemple, illustre trois bras redresseurs U1+, Vl+, Wl+ alimentés par un ensemble de tensions triphasé équilibré, chacun étant constitué d'une barre composants 109 comportant une pluralité de composants électroniques monodirectionnels 5. Pour chaque barre composant 109, les composants 5 sont répartis en deux groupes, positionnés chacun d'un côté opposé de la barre composants 109. Les composants monodirectionnels 5 appartenant à chaque barre composant 109 sont reliés à la phase correspondante par l'intermédiaire d'une liaison comprenant un ensemble fusible qui comporte une fusible 7 par composant monodirectionnel 5 relié d'un côté en série avec le composant monodirectionnel 5 et de l'autre côté à au moins une barre fusible 11 raccordée à la phase correspondante. Chaque groupe de composants-fusibles est relié à une barre fusible ll. La figure 12 illustre un autre exemple d'un dispositif redresseur 203 en étoile constitué de six bras redresseurs Ul+, Vl+, Wl+, U2+, V2+, W2+ ayant six barres composants 109 qui s'unissent dans la zone de jonction Z+. Les bras redresseurs sont alimentés par des premier et second ensembles triphasés équilibrés. Par exemple, le premier peut être un ensemble de tensions triphasé équilibré en étoile et le second peut être un ensemble de tensions triphasé équilibré en triangle. La figure 13 illustre encore un autre exemple d'un dispositif comprenant une première étoile de redresseurs 203a triphasée équilibrée reliée par l'intermédiaire d'une barre collectrice 205 à une seconde étoile de redresseurs 203b triphasée équilibrée. Les deux jeux triphasés de barres composants en étoile peuvent être alimentés par deux systèmes de tension triphasés (par exemple, étoile et triangle). Cet exemple montre que chaque barre composant 109 peut comporter quatorze composants monodirectionnels 5 repartis en deux groupes de sept, positionnés sur deux côtés opposés de la barre composant 109.

La barre collectrice 205 est connectée à une borne DC et le courant qui y circule est un courant continu car il résulte de la somme d'un courant continu issu de la zone de jonction Zl+ du premier redresseur 203a et de celui issu de la zone de jonction Z2+ du second redresseur 203b.

Les figures 14 et 15 illustrent de manière schématique les liaisons entre des étoiles de redresseurs. De manière générale, un convertisseur-redresseur comporte une structure de collection de courant connectant électriquement les zones de jonction d'une pluralité d'étoiles de redresseurs à une borne DC. Les étoiles de redresseurs peuvent être reliées entre elles de manière indifférente par la structure de collection. Avantageusement, cette structure de collection est constituée d'un alliage moulé réalisée par exemple, par un moulage d'alliage en aluminium. La figure 14 illustre de manière schématique un convertisseur-redresseur dans lequel la structure de collection de courant comporte une pluralité de barres collectrices 205 reliant les zones de jonction Z1-Z4 de la pluralité d'étoiles de redresseurs 203a-203d selon un réseau en étoile autour de la borne DC. Chaque étoile redresseur élémentaire débite un courant redressé continu et les barres collectrices 205 sont alors toutes parcourues par un courant continu. Ainsi, le couplage inductif s'annule du fait de l'annulation des termes di/dt dans les barres collectrices 205. Il n'y a plus de variation de champ magnétique induite par les barres collectrices 205 et celles-ci ne viennent donc plus perturber le fonctionnement des bras redresseurs. La figure 15 illustre de manière schématique un autre exemple d'un convertisseur- redresseur dans lequel la structure de collection de courant comporte une barre collectrice 205 reliant en série les zones de jonction Z1-Z4 de la pluralité d'étoiles de redresseurs 203a-203d à la borne DC. En outre, les zones de jonction des étoiles de redresseurs peuvent être reliées à la borne DC par des barres collectrices coaxiales (voir figures 16 à 19). Les barres collectrices peuvent être de forme tubulaire adaptée pour faire circuler un fluide de refroidissement.

Ainsi, les étoiles de redresseurs peuvent êtres reliés entre elles de manière indifférente par les barres collectrices. La manière de les relier n'affecte pas le fonctionnement du convertisseur, contrairement aux architectures connues dans l'état de l'art. En effet, étant donné que ces barres collectrices sont traversées par un courant continu, elles ne perturbent pas le fonctionnement de l'ensemble des étoiles de redresseurs. On se retrouve ainsi dans une situation où on peut équilibrer en courant les associations composants-fusibles d'un redresseur polyphasé élémentaire sans être affecté par l'architecture de la structure de collection des courants de sorties des redresseurs. De plus, la structure de liaison entre les 30 étoiles de redresseurs est compacte et permet une construction modulaire.

On notera que le système polyphasé équilibré alimentant chaque étoile de redresseurs peut comporter un ou plusieurs ensembles de tension polyphasés équilibrés.

Par ailleurs, les étoiles de redresseurs peuvent comporter un même nombre de bras redresseurs (c'est-à-dire, un même nombre de phases) et/ou un nombre différent de bras redresseurs. Les bras redresseurs peuvent être alimentés par des systèmes polyphasés en phase et/ou par des systèmes polyphasés déphasés entre eux. Ainsi, il est possible d'associer des étoiles de redresseurs dont le nombre de phases n'est pas identique ou dont les systèmes de tensions d'alimentation sont déphasés entre eux, par exemple, des redresseurs étoiles triphasés et des redresseurs étoiles hexaphasés. La figure 16 illustre de manière schématique la structure d'un deuxième mode de réalisation de redresseurs polyphasés en forme d'étoile. Ce mode de réalisation consiste à réaliser un ensemble de petites étoiles de redresseurs 203a-203c connectées sur une barre collectrice 207 axiale connexe à la borne DC. Les barres composants 109 sont connectées perpendiculairement à la barre collectrice 207 axiale et chacune comporte par exemple quatre composants monodirectionnels 5 (deux de chaque côté). L'exemple illustré montre un ensemble de trois petites étoiles de redresseurs 203a-203c alimenté en tensions triphasés équilibrés par l'intermédiaire de trois barres alternatives 211 (une seule barre alternative est représentée sur la figure). Autrement dit, les barres fusibles 11, associées aux barres composants reliées à parallèlement à Par avantageusementalimentées par une même phase, sont même barre alternative 211 disposée la barre collectrice 207 axiale. ailleurs, la barre collectrice 207 est de forme tubulaire adaptée pour faire 109 une circuler un fluide 215 de refroidissement. La figure 17 illustre de manière schématique la structure d'un troisième mode de réalisation d'un redresseur polyphasé en forme d'étoile dans lequel les barres (ou conducteurs) composants 109 sont connectées parallèlement à la barre collectrice 207 axiale.

Ce mode de réalisation illustre un dispositif redresseur 203 triphasé constitué de trois barres composants 109 en forme de volets (seulement deux barres sont représentées sur la figure) soudées sur la barre collectrice 207 qui est connexe ou qui forme la borne DC. Le redresseur est alimenté par un système de tension triphasé par l'intermédiaire de trois barres fusibles 11 (seulement deux sont représentées sur la figure) disposées parallèlement à la barre collectrice 207 axiale. Ceci permet de simplifier la structure tout en diminuant le diamètre extérieur du redresseur. La figure 18 illustre de manière schématique la structure d'un quatrième mode de réalisation d'un dispositif redresseur 203 polyphasé en forme d'étoile dans lequel les conducteurs composants sont constitués d'une seule pièce de conduction 209 dont la partie centrale correspond à la zone de jonction connexe à une barre collectrice 207 axiale. L'exemple de la figure 18 illustre un redresseur triphasé où les conducteurs composants, qui sont au même potentiel électrique, forme une sorte de roue triphasée, mais bien entendu, on peut avoir une forme de pièce tout à fait quelconque. Sur la pièce de conduction 209 sont disposés trois bras redresseurs Ul+, V1+, W1+ équitablement répartis sur la pièce de conduction 209 et alimentés par un système de tension triphasé équilibré. Chaque bras redresseur comporte un groupe d'association composants-fusibles connecté d'un côté à la pièce de conduction 209, et d'un autre côté à la barre fusible 11 relié à la borne AC. La sortie continue se fait dans l'axe de la pièce par la barre collectrice 207. La figure 19 illustre de manière schématique un convertisseur-redresseur comportant trois étoiles de redresseurs triphasées 203a-203c, selon la figure 18. Ainsi, on peut interconnecter au travers une ou plusieurs barres collectrices 207, une pluralité d'étoiles de redresseurs de ce type afin de constituer un convertisseur-redresseur de grande taille. Les étoiles de redresseurs peuvent être alimentées par des systèmes de tensions équilibrés par l'intermédiaire des barres 211 d'alimentation alternative (une seule barre est représentée sur le schéma) reliées aux barres fusibles 11. Les systèmes de tensions équilibrés peuvent être différents (par exemple, étoile et triangle).

Ce mode de réalisation est très compact et modulaire, et en plus, on peut concevoir la forme de la pièce 209 de telle sorte que tous les composants se trouvent à égale distance de la barre collectrice 207.

Ceci permet d'assurer que l'équilibrage en courant des associations composants-fusibles de chaque étoile de redresseurs est quasi parfait. De plus, ce mode de réalisation avec une pièce conducteur unique pour chaque étoile de redresseurs se prête relativement bien à une technologie de moulage. La figure 20 illustre la structure d'une étoile de redresseurs 203 triphasée où la pièce de conduction 209 est de forme triangulaire. Les composants électroniques monodirectionnels 5 sont équitablement répartis sur la périphérie de la pièce de conduction 209. Les composants monodirectionnels 5 sont par exemple des diodes de type « press pack de calibre élevé (typiquement plusieurs milliers d'ampères) qui sont fixées à l'aide de pinces 217 à serrage sur la pièce de conduction 209. Les diodes 5 sont reliées aux fusibles 7 à l'aide de liaisons souples 221. On notera que l'avantage principal de la présente invention est que toutes les barres collectrices qui relient les étoiles de redresseurs entre elles sont toujours parcourues par un courant continu, et donc ne perturbent pas le fonctionnement des unités de redresseurs qui fonctionnent indépendamment les uns des autres.

En outre, le convertisseur-redresseur polyphasé selon l'invention est compact par rapport à la structure de cadre collecteur reliant des barres composants monophasées selon l'art antérieur, la taille du collecteur est très fortement diminuée d' un facteur 3 à 4. De plus, le convertisseur-redresseur selon l'invention est modulaire. Il est possible de créer des redresseurs de grande capacité en courant par association de redresseurs polyphasés en étoile de petites dimensions. Il n'est pas nécessaire de prendre en compte dans la mise en oeuvre de ces redresseurs l'impact potentiel de l'architecture du collecteur de courant, ce qui laisse également des degrés de liberté importants sur la façon de disposer et d'interconnecter entre elles les étoiles de redresseurs élémentaires. De plus, contrairement au cadre d'un convertisseur-redresseur selon l'art antérieur, dans lequel les barres composants et les barres collectrices sont généralement des barres d'aluminium soudées entre elles, les structures collectrices plyphasées en étoiles peuvent être réalisées par une technologie de moulage d'aluminium. Ceci peut contribuer à réduire énormément le coût du redresseur puisqu'on réalise un redresseur polyphasé à l'aide d' une seule pièce moulée en aluminium plutôt que d'assembler par soudure des barres entre elles.

Claims (19)

1. REVENDICATIONS1. Redresseur polyphasé de forte puissance comportant des bras redresseurs, chacun comprenant un ensemble de composants électroniques monodirectionnels (5), montés en parallèle, reliés d'un côté à une phase correspondante d'un système de tensions polyphasé, et d'un autre côté à un conducteur composant (109) couplé électriquement à une borne DC d'un circuit (205) apte à alimenter en courant continu un système extérieur (207), caractérisé en ce que les bras redresseurs sont alimentés par un système polyphasé équilibré, et en ce que les conducteurs composants (109) desdits bras redresseurs convergent pour se combiner en une même zone de jonction (Z+) formant une étoile de redresseurs (203), ladite zone de jonction étant couplée à ladite borne DC.
2. 2. Convertisseur-redresseur comportant une pluralité de redresseurs selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une structure de collection de courant connectant les zones de jonction (Z+) d'une pluralité d'étoiles de redresseurs à ladite borne DC.
3. 3. Convertisseur-redresseur selon la revendication 2, dans lequel, ledit système polyphasé équilibré alimentant chaque étoile de redresseurs (203) comporte un ou plusieurs ensembles de tension polyphasés équilibrés.
4. 4. Convertisseur-redresseur selon la revendication 2 ou 3, dans lequel les étoiles de redresseurs (203) comportent un même nombre de bras redresseurs et/ou un nombre différent de bras redresseurs.
5. 5. Convertisseur-redresseur selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, dans lequel les systèmes polyphasés alimentant la pluralité des étoiles de redresseurs (203) comportent des systèmes polyphasés en phase et/ou des systèmes polyphasés déphasés entre eux.
6. 6. Convertisseur-redresseur selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, dans lequel ladite structure de collection de courant comporte une pluralité de barres collectrices (205) reliant les zones de jonction de la pluralité d'étoiles de redresseurs (203) selon un réseau en étoile autour de ladite borne DC.
7. 7. Convertisseur-redresseur selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, dans lequel, ladite structure de collection de courant comporte une barre collectrice (205) reliant en série les zones de jonction de la pluralité d'étoiles de redresseurs (203) à ladite borne DC.
8. 8. Convertisseur-redresseur selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, dans lequel,ladite structure de collection de courant est constituée d'un alliage moulé.
9. 9. Convertisseur-redresseur selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, dans lequel, pour au moins une étoile de redresseurs, les conducteurs composants sont constitués de barres composants (109) qui s'unissent dans ladite zone de jonction.
10. 10. Convertisseur-redresseur selon la revendication 9, dans lequel, pour chaque barre composant (109), les composants (5) sont répartis en deux groupes, positionnés chacun d'un côté opposé de la barre composant (109).
11. 11. Convertisseur-redresseur selon l'une quelconque des revendications 2 à 10, dans lequel, ladite structure de collection de courant comporte au moins une barre collectrice (207) coaxiale reliant de manière coaxiale les zones de jonction de la pluralité d'étoiles de redresseurs à ladite borne DC.
12. 12. Convertisseur-redresseur selon la revendication 11, dans lequel ladite barre collectrice (207) est de forme tubulaire adaptée pour faire circuler un fluide de refroidissement.
13. 13. Convertisseur-redresseur selon l'une quelconque des revendications 9 à 12, dans lequel les 30 barres composants (109) sont connectées perpendiculairement à ladite barre collectrice.
14. 14. Convertisseur-redresseur selon l'une quelconque des revendications 9 à 12, dans lequel les barres composants (109) sont connectées parallèlement à ladite barre collectrice.
15. 15. Convertisseur-redresseur selon la revendication 11 ou 12, dans lequel, pour au moins une étoile de redresseurs, les conducteurs composants sont constitués d'une seule pièce de conduction (209) dont la partie centrale correspond à la zone de jonction connexe à ladite barre collectrice (207).
16. 16. Convertisseur-redresseur selon la revendication 15, dans lequel les composants électroniques monodirectionnels (5) des bras redresseurs sont équitablement répartis sur ladite pièce de conduction (209).
17. 17. Convertisseur-redresseur selon l'une quelconque des revendications 2 à 16, dans lequel les composants électroniques monodirectionnels (5) sont reliés à la phase correspondante par l'intermédiaire d'une liaison comprenant un ensemble fusible qui comporte une fusible (7) par composant monodirectionnel (5) relié d'un côté en série avec ledit composant monodirectionnel et de l'autre côté à au moins une barre fusible (11) raccordée à ladite phase correspondante.30
18. 18. Convertisseur-redresseur selon l'une quelconque des revendications 2 à 17, comportant au moins un transformateur redresseur générant au moins un ensemble de tensions polyphasées équilibré alimentant les étoiles de redresseurs.
19. 19. Groupe d'alimentation électrique comportant un convertisseur redresseur selon la revendication 18, comportant en outre un transformateur de réglage relié d'un côté à un réseau électrique et de l'autre côté audit transformateur redresseur pour lui fournir une tension intermédiaire ajustée.