WO2010066747A2 - Circuit de commande de bras de thyristors et circuit d'alimentation associe - Google Patents

Circuit de commande de bras de thyristors et circuit d'alimentation associe Download PDF

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WO2010066747A2 PCT/EP2009/066648 EP2009066648W WO2010066747A2 WO 2010066747 A2 WO2010066747 A2 WO 2010066747A2 EP 2009066648 W EP2009066648 W EP 2009066648W WO 2010066747 A2 WO2010066747 A2 WO 2010066747A2
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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
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/08—Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters
    • H02M1/088—Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters for the simultaneous control of series or parallel connected semiconductor devices

Definitions

  • the invention relates to a control circuit of thyristor arms in parallel.
  • the invention also relates to a DC power supply circuit for the electrolysis of aluminum and chlorine which comprises at least one thyristor arm controlled by a thyristor arm control circuit of the invention.
  • the thyristor arm control circuit of the invention is advantageously devoid of any circuit particularly dedicated to synchronization.
  • a thyristor is a semiconductor electronic switch controllable on ignition.
  • a thyristor has three terminals: a trigger, a cathode and an anode.
  • a control pulse applied on the gate of the thyristor causes a sharp and brutal conduction of current between the anode and the cathode.
  • the invention applies to any type of thyristor controlled rectifier and, more particularly, to thyristor rectifiers with a small variation in the DC voltage.
  • a known synchronization system is based on the taking of the primary voltages of the transformer. Such a system requires the addition of auxiliary transformers provided with their specific protections whose cost is not negligible. Moreover, the sum of the phase shifts resulting from the presence of the various transformers seriously affects the accuracy of the measurement of the zero crossings of the synchronization voltage.
  • the invention relates to a thyristor arm control circuit which comprises:
  • a gain amplifier greater than or equal to 1 which amplifies a voltage taken across the thyristor arm and which delivers an amplified arm voltage
  • a comparator which compares the voltage delivered by the amplifier with a reference voltage and which delivers a pulse when the voltage delivered by the amplifier is substantially equal to the reference voltage, the pulse constituting a control signal applied , after amplification, on the thyristor gates of the thyristor arm.
  • the invention also relates to a DC power supply circuit for the electrolysis of aluminum and chlorine which comprises at least one thyristor arm controlled by a thyristor arm control circuit according to the invention.
  • the synchronization of the control system of the thyristor firing angle is advantageously carried out directly by the signal resulting from the comparison of the amplified voltage taken across the thyristor arm and a reference signal.
  • Such synchronization applies particularly advantageously to systems that require a small thyristor control angle variation, starting from a control angle corresponding to a thyristor operation diode, that is to say substantially 0 °, which is the case of the supply circuits in direct current for the electrolysis of aluminum and chlorine.
  • FIG. 1 represents a thyristor arm control circuit according to the invention
  • FIG. 2 represents curves which illustrate the operation of a thyristor arm as a function of a control signal delivered by the control circuit of the invention
  • FIG. 1 represents a thyristor arm control circuit according to the invention.
  • the control circuit comprises an amplification circuit 1 of greater than or equal to 1 and a gain comparator 2.
  • the arm voltage V (t) sampled at the terminals of an arm thyristors B is amplified by the amplifier 1 which supplies voltage V B (t).
  • the voltage V B (t) is then compared with a reference voltage V c (t) by the comparator 2.
  • the comparator 2 delivers a pulse that is applied on the trigger of the thyristors, which impulse triggers the conduction of the thyristors.
  • the reference voltage V c (t) is, for example, the control signal that would be applied to the triggers of the thyristors in the absence of the control device of the invention.
  • the voltage V c (t) may also be a DC voltage value or any low frequency control signal such as, for example, the signal from a current regulator.
  • the frequency of the reference signal can vary randomly between zero and the value imposed by the control regulation circuit, itself being dependent on the speed of change of its control setpoint and possible disturbances of the power supply network. thyristor rectifying circuit.
  • the range of evolution of the frequency of the reference signal can thus vary randomly from 0 to 150 Hz in the case of a 50 Hz or 60 Hz grating.
  • FIG. 2 illustrates, by way of nonlimiting example, the voltages implemented, as a function of time, within the scope of the invention for a twelve-phase structure having two parallel-grounded Graetz bridges. Three voltage curves are shown in FIG. 2, namely: the curve V B (t) which represents the voltage delivered by the amplifier 1;
  • the voltage V c (t) to which the voltage V B (t) is compared is here, for example, a low-frequency sinusoidal voltage.
  • the thyristor arm is started as soon as the voltage V B (t) reaches the voltage V c (t), which leads to a starting angle of the order of one degree.
  • the control circuit of the invention does not make it possible to obtain a zero voltage at the output of the Graetz bridges.
  • the control circuit of the invention thus finds a particularly advantageous application in the DC supply circuits which are used for the electrolysis of aluminum and chlorine.
  • the DC power supplies used for the electrolysis of aluminum and chlorine include subsets "diodes + self-saturable reactances" which are connected in parallel.
  • the DC voltage is adjusted using saturable reactances which delay, according to their dimensioning, the conduction of the diodes. This results in the desired variation of the DC voltage. Depending on the installations, this voltage variation can be, for example, between 30V and 60V.
  • This voltage variation can be, for example, between 30V and 60V.
  • the larger variations of the DC voltage are achieved by load-regulating transformers.
  • the subassemblies "diodes + self-saturable reactances" are replaced, in the context of the invention, by thyristors controlled by control circuits conforming to the control circuit of the invention.
  • the presence of thyristors controlled by control circuits of the invention advantageously provides a gain in the reactive power consumed and very substantially improves the current blocking conditions, thereby reducing the stress on the mechanical cut-off members. It is thus possible to obtain a command which, for boot angles typically between 2 ° and 70 °, eliminates any circuit particularly dedicated to synchronization.
  • a final degraded operation of a supply of the prior art to "diodes + self-saturable reactances” is a non-controlling operation, the current being adjusted by an operator by changing the load of each group of diodes.
  • a set of thyristors controlled by a control circuit of the invention also leads to an operation of the bridges Gra ⁇ tz or any other rectifier (for example a double star rectifier with interphase) without control and without a circuit particularly dedicated to the synchronization.

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Abstract

L' invention concerne un circuit de commande de bras de thyristors qui comprend : - un amplificateur de gain supérieur ou égal à 1 (1) qui amplifie une tension (VBras (t) ) prélevée aux bornes du bras de thyristors et qui délivre une tension de bras amplifiée (VB(t)), et - un comparateur (2) qui compare la tension délivrée par l'amplificateur avec une tension de référence (Vc(t)) et qui délivre une impulsion dès lors que la tension délivrée par l'amplificateur est sensiblement égale à la tension de référence, l'impulsion constituant un signal de commande appliqué, après amplification, sur les gâchettes des thyristors du bras de thyristors. Application aux circuits d'alimentation en courant continu pour l' électrolyse de l'aluminium et du chlore.

Description

CIRCUIT DE COMMANDE DE BRAS DE THYRISTORS ET CIRCUIT D'ALIMENTATION ASSOCIE
DESCRIPTION
Domaine technique et art antérieur
L' invention concerne un circuit de commande de bras de thyristors en parallèle. L'invention concerne également un circuit d'alimentation en courant continu pour l' électrolyse de l'aluminium et du chlore qui comprend au moins un bras de thyristors commandé par un circuit de commande de bras de thyristors de l'invention. Le circuit de commande de bras de thyristors de l'invention est avantageusement dépourvu de tout circuit particulièrement dédié à la synchronisation .
Un thyristor est un interrupteur électronique semi-conducteur commandable à l'allumage.
Un thyristor comprend trois bornes : une gâchette, une cathode et une anode. Une impulsion de commande appliquée sur la gâchette du thyristor provoque une conduction franche et brutale de courant entre l'anode et la cathode.
L'invention s'applique à tout type de redresseur commandé à thyristors et, plus particulièrement, aux redresseurs à thyristors à faible variation de la tension continue.
Le facteur de puissance d'un redresseur à thyristors de type pont de Graëtz s'écrit : cos φ = cos α - π X /6, où α est l'angle d'amorçage du redresseur et X la réactance de fuite du transformateur d'alimentation du redresseur. Idéalement, un facteur de puissance maximal est donc obtenu pour un angle d'amorçage nul (α=0) . Selon l'art connu, des systèmes de synchronisation sont utilisés pour minimiser les angles d' amorçage .
Un système de synchronisation connu est basé sur la prise des tensions au primaire du transformateur. Un tel système nécessite l'ajout de transformateurs auxiliaires munis de leurs protections spécifiques dont le coût n'est pas négligeable. Par ailleurs, la somme des déphasages qui résultent de la présence des différents transformateurs nuit gravement à la précision de la mesure des passages par zéro de la tension de synchronisation.
A titre d' illustration, un tel système de synchronisation est divulgué dans le brevet US 3 728 557. La synchronisation du système de commande de l'angle d'amorçage des thyristors est ici effectuée à partir des impulsions délivrées par un générateur d'impulsions. Dans un tel système de commande, la synchronisation s'effectue avec prélèvement puis filtrage de l'image de la tension alternative réseau sur le circuit de puissance, comparaison avec une tension de commande, traitement du signal issu de la comparaison pour obtenir un signal logique 1 de durée égale à 120° et obtention des impulsions en sortie du générateur d'impulsions. Un inconvénient de ce type de synchronisation est de nécessiter de nombreux circuits pour l'obtention d'un signal de synchronisation. L' invention ne présente pas les inconvénients mentionnés ci-dessus.
Exposé de l' invention
En effet, l'invention concerne un circuit de commande de bras de thyristors qui comprend :
- un amplificateur de gain supérieur ou égal à 1 qui amplifie une tension prélevée aux bornes du bras de thyristors et qui délivre une tension de bras amplifiée, et
- un comparateur qui compare la tension délivrée par l'amplificateur avec une tension de référence et qui délivre une impulsion dès lors que la tension délivrée par l'amplificateur est sensiblement égale à la tension de référence, l'impulsion constituant un signal de commande appliqué, après amplification, sur les gâchettes des thyristors du bras de thyristors.
L' invention concerne également un circuit d'alimentation en courant continu pour l' électrolyse de l'aluminium et du chlore qui comprend au moins un bras de thyristors commandé par un circuit de commande de bras de thyristors selon l'invention.
Selon l'invention, la synchronisation du système de commande de l'angle d'amorçage des thyristors est avantageusement effectuée directement par le signal issu de la comparaison de la tension amplifiée prélevée aux bornes du bras de thyristors et d'un signal de référence. Une telle synchronisation s'applique de façon particulièrement avantageuse aux systèmes qui nécessitent une faible variation d'angle de commande de thyristors, en partant d'un angle de commande correspondant à un focntionnement des thyristors en diode, c'est-à-dire sensiblement 0°, ce qui est le cas des circuits d'alimentation en courant continu pour 1' électrolyse de l'aluminium et du chlore.
Brève description des figures
La figure 1 représente un circuit de commande de bras de thyristors selon l'invention ;
La figure 2 représente des courbes qui illustrent le fonctionnement d'un bras de thyristors en fonction d'un signal de commande délivré par le circuit de commande de l'invention ; Sur toutes les figures, les mêmes références désignent les mêmes éléments.
Description détaillée de modes de réalisation de 1' invention La figure 1 représente un circuit de commande de bras de thyristors selon l'invention.
Le circuit de commande comprend un circuit d'amplification 1 de gain supérieur ou égal à 1 et un comparateur 2. La tension VBras (t) prélevée aux bornes d'un bras de thyristors B est amplifiée par l'amplificateur 1 qui délivre une tension VB(t) . La tension VB(t) est alors comparée à une tension de référence Vc(t) par le comparateur 2. Dès que la tension VB(t) est égale à la tension V0 (t), le comparateur 2 délivre une impulsion qui est appliquée sur la gâchette des thyristors, laquelle impulsion déclenche la conduction des thyristors. La tension de référence Vc(t) est, par exemple, le signal de commande qui serait appliqué sur les gâchettes des thyristors en l'absence du dispositif de commande de l'invention. La tension Vc(t) peut également être une valeur de tension continue ou un signal de commande basse fréquence quelconque tel que, par exemple, le signal issu d'un régulateur de courant. La fréquence du signal de référence peut varier de façon aléatoire entre zéro et la valeur imposée par le circuit de régulation de commande, lui-même étant dépendant de la rapidité d'évolution de sa consigne de commande et des perturbations éventuelles du réseau d'alimentation du circuit de redressement à thyristors. A titre d'exemple non limitatif, la plage d'évolution de la fréquence du signal de référence peut ainsi varier aléatoirement de 0 à 150 Hz dans le cas d'un réseau à 50 Hz ou 60 Hz. D'autres plages d'évolution de la fréquence du signal de référence sont toutefois possibles aussi bien dans le cas d'un réseau à 50 Hz ou 60 Hz, que dans le cas d'un réseau de fréquence supérieure à 60 Hz. La tension de référence peut également être un signal de secours appliqué manuellement qui vient se substituer au signal de commande précité, défaillant. La figure 2 illustre, à titre d'exemple non limitatif, les tensions mises en œuvre, en fonction du temps, dans le cadre de l'invention pour une structure dodécaphasée ayant deux ponts de Graëtz hexaphasés en parallèle. Trois courbes de tension sont représentées sur la figure 2, à savoir : - la courbe VB(t) qui représente la tension délivrée par l'amplificateur 1 ;
- la courbe Vc(t) qui représente la tension de référence à laquelle est comparée à la tension VB (t) ; et
- la courbe I (t) qui représente les impulsions de commande délivrées par le comparateur et qui sont appliquées sur les gâchettes des thyristors.
La tension Vc(t) à laquelle est comparée la tension VB(t) est ici, par exemple, une tension sinusoïdale de basse fréquence. Le bras de thyristors est amorcé dès lors que la tension VB(t) atteint la tension Vc(t), ce qui conduit à un angle d'amorçage de l'ordre du degré. Le circuit de commande de l'invention ne permet pas d'obtenir une tension nulle en sortie des ponts de Graëtz. A titre d'exemple non limitatif, le circuit de commande de l'invention trouve ainsi une application particulièrement avantageuse dans les circuits d'alimentation en courant continu qui sont utilisées pour l' électrolyse de l'aluminium et du chlore. Les alimentations à courant continu utilisées pour l' électrolyse de l'aluminium et du chlore comprennent des sous-ensembles « diodes + réactances auto-saturables » qui sont mis en parallèle. Le réglage de la tension continue est réalisé à l'aide des réactances saturables qui retardent, en fonction de leur dimensionnement, la conduction des diodes. Il en résulte la variation souhaitée de la tension continue. En fonction des installations, cette variation de tension peut être comprise, par exemple, entre 30V et 60V. Les variations plus importantes de la tension continue sont réalisées au moyen de transformateurs régleurs en charge.
De façon particulièrement avantageuse, les sous-ensembles « diodes + réactances auto-saturables » sont remplacés, dans le cadre de l'invention, par des thyristors commandés par des circuits de commande conformes au circuit de commande de l'invention. La présence de thyristors commandés par des circuits de commande de l'invention apporte avantageusement un gain au niveau de la puissance réactive consommée et améliore très sensiblement les conditions de blocage du courant, réduisant ainsi les contraintes sur les organes mécaniques de coupure. Il est ainsi possible d'obtenir une commande qui, pour des angles d'amorçage typiquement compris entre 2° et 70°, s'affranchit de tout circuit particulièrement dédié à la synchronisation .
Un ultime fonctionnement dégradé d'une alimentation de l'art antérieur à « diodes + réactances auto-saturables » est un fonctionnement sans contrôle, le courant étant réglé par un opérateur en modifiant la charge de chaque groupe de diodes. A la place de sous ensembles « diodes + réactances auto-saturables » , un ensemble de thyristors commandés par un circuit de commande de l'invention conduit également à un fonctionnement des ponts de Graëtz ou de tout autre redresseur (par exemple un redresseur double étoile avec interphase) sans contrôle et sans circuit particulièrement dédié à la synchronisation.

Claims

REVENDICATIONS
1. Circuit de commande de bras de thyristors qui comprend : - un amplificateur de gain supérieur ou égal à 1 (1) qui amplifie une tension (VBras (t) ) prélevée aux bornes du bras de thyristors et qui délivre une tension de bras amplifiée (VB(t)), et
- un comparateur (2) qui compare la tension délivrée par l'amplificateur avec une tension de référence
(Vc(t)) et qui délivre une impulsion dès lors que la tension délivrée par l'amplificateur est sensiblement égale à la tension de référence, l'impulsion constituant un signal de commande appliqué, après amplification, sur les gâchettes des thyristors du bras de thyristors.
2. Circuit de commande selon la revendication 1, dans lequel la tension de référence (V0 (t)) est une tension continue ou un signal basse fréquence quelconque.
3. Circuit de commande selon la revendication 2, dans lequel le signal basse fréquence quelconque est issu d'un régulateur de courant .
4. Circuit d'alimentation en courant continu pour l' électrolyse de l'aluminium et du chlore, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un bras de thyristors commandé par un circuit de commande de bras de thyristors conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 3.
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DE1763751C3 (de) * 1968-08-01 1975-08-07 Siemens Ag, 1000 Berlin Und 8000 Muenchen Impulsgenerator für eine mit einer Wechselspannung synchrone Impulsfolge mit einstellbarem Phasenwinkel

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