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L'invention concerne un équipement (3'alimentation et
de récupération de courant con-tinu pour matériel de traction
électrique.
Un tel. équipement se situe dans une sous-station d'ali-
mentation qui reçoit de l'énergie électrique d'un réseau alter-
natif haute tension et délivre de l'énergie électrique continue
au matériel de traction électrique par l'intermédiaire des caté-
naires et des rai.ls ~a charge de l'équipement d'alimentation
est donc constituée par un ou plusieurs moteurs électriques
1.0 fonctionnan-t le plu5 souvent en récepteur. Lors d'un freinage,
chaque moteur fonctionne alors en générateur et rcnvoie de l'éner-
gie vers l'équipement. Globalement, la charge de l'équipement
est soit consommatrice de courant, soit génératrice de courant,
le changement pouvant intervenir à chaque instant. L'équipement
doit donc être capable de passer d'un régime d'alimentation à
un régime de récupération, et vice-versa, aussi rapidement que
possible.
Habituellement, un équipement d'alimcntation et de
récupération comporte deux parties distinctes: Un équipement
A'alimentation seule comportant un appareillage de protection
haute tension, un transIormateur ad.aptatcur et un b].oc redres~eur
qui alimentent la charge quand cclle-ci consommt? de l'én~rgi~,
et un équipement de récupération comportant un bloc on.dul.eur
recevant l'énergie produite par l.a charge, un transformateur
adaptateur tel que, vue de la charge, la force contre-électromo-
trice de l'équipement de récupération soit supérieure à la force
électromotrice de l'équipement d'alimentation, et un appareil-
l.age de protection haute tension pour retourner l.'énergi.e alter-
native produite ver~ lc réseau. La cornmutation rapi(lc entre le
~onctionn.ement en alimentation et le fonctionnement en récupéra-
tion d'énergie ~osc le problème de la commande de l'onduleur.
~ans ]e brevet françal~ ~ 3].6 773 pa.r e~mple, ].o di~ositi.f
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de commande de l'onduIeur est débloqué dès qu'une condition
assurant l'arrêt de fonctionnement du redresseur est détectée.
Toutefois, ce deblocage requiert un certain temps qui peut être
prohibitif avec les techniques modernes utilisant des hâcheurs
de courant. De plus, les thyristors de l'onduleur sont amorcés
à angle constant, ce qui ne garantit ni le meilleur facteur de
puissance possible, ni les meilleures caractéristiques de fonc-
tionnement.
Le but de la présente invention est d'obvier à
ces inconvénients a l'aide d'un équipement incluant un nombre
minimal de composants et permettant la commutation instantanée
du mode de fonctionnement.
La présente invention consiste en un equipement
d'alimentation et de récupération de courant continu pour mate-
riel de traction electrique, comportant un transformateur adap-
tateur dont le primaire est connecté à un réseau alternatif
haute tension par l'intermédiaire d'un appareillage de protection,
un bloc redresseur ayant des bornes d'entrée connectées au
secondaire du transformateur adaptateur et des bornes de sortie
connectées au matériel de traction par l'intermediaire de lignes
de liaison, et un bloc onduleur à thyristors, caractérisé en
ce que,
le bloc onduleur a des bornes d'entree connectées
aux lignes de liaison par l'intermédiaire d'un élément inductif
et d'un élément resistif, et des borne`s de sortie connectees
à un autotransformateur monte en élévateur de tension et relié
au secondaire du transformateur adaptateur, de telle façon que
le courant d'échange entre le bloc redresseur et le bloconduleur
soit limité par l'élément inductif, et que l'angle d'amorçage
des ~lyristors du bloc onduleur varie en fonction de l'intensité
du courant circuIant dans le bloc onduleur, l'élément résistif
rendant cette intensité indépendante de la tension à l'entrée
du bloc onduleur.
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Grâce a cette disposition, l'obligatolre élévation
de la tension alternative nécessaire à l'onduleur par rapport
à celle du redresseur est obtenu cette fois par l'autotransfor-
mateur. Cette ~lévation de tension est nettement plus faible
que dans le cas d'un équipement de récupération distinct d'un
équlpement d'alimentation~_grâce au fait que l'énergie d'alimen-~ _
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ta-tion. et l'énergie de récupération empruntt?nt le même trans-
formateur adaptateur. ~'auto-transformateur, dimensionné pou.r
une élévation de tension de quelques pourcents seulement, est
un appareil d'encombrement réduit e-t de coût faible. ~'adjonc-
ti.on des éléments résistifs et inductifs dans le circuit à cou-
rant continu de récupération permet de limitcr l.es courants de
circulation sans trop diminuer le facteur de puissance.
En outre, les tensions dans les blocs redresseur et
onduleur sont rigoureusement en phase, et les thyristors du
bloc onduleur sont amorcés avec un angle variable qui pourra
être faible à vide et important lors du fonctionnement en récu-
pération, ce qui rend inexis-tant le délai de commutation entre
les modes de fonctionnement et améliore nettement le facteur de
puissance et les caractéristiques d'ensemble dc l'équi.pement.
Enfin, la transformation d'un équipement d'al.i.men-
tation seulc en équi.pemen-t d'alimentation ~t rccupérat.ion ~st
alors une opération possible et économique.
Dans la suite de l.a description, l.es exprr~ssions
"matériel de traction" ou "charge" seron-t; utilise9 indifféremment
pour désigner l'ensemble des moteurs de traction fonctionnant
soit en moteur, soit en générateur, cet enscmble étant considéré
comme une charge consommatrice ou productrice d'énergie, par
l'équipement.
Un exemple de réalisation de l'invention est donné
dans la description qui suit~illustrée par les figures qui re-
présentent:
- la figure 1, un schéma d'ensemble de l'équipement,
- la figure 2, un diagramme représentatif des tensi.ons et des
courants contlnus da~s la charge,
- ~.a figure 3, un diagramme representatif des tensions et cou-
rants alterna-tifs au secondaire du transfo~nateur.
~ 'équ.i.pement représenté sur la figure 1 est destiné à
alimenter lm ou plusi.eu.rs matériels de tracti.on 1, à partir d'un
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réseau représenté par une sous-s-tation 2; lc matérie]. de traction
1 cst relié à l'équipement par des lignes de ].iaison 3 et 4, la
ligne 3 étant constit;uée par exemple par des caténaires ou un
troisième rail ~t la ligne 4 par les rails de roulement.
~'équipement comporte un transformatcur adaptateur
5, dont l'enroulement primaire est relié au réseau alternatif
haute tension 2, par l'intermédiai.re d'un appareillage de pro-
tection 6. Son secondaire est rclié d'une part, à un bloc re-
dresseur 7 directement et d'autre part, à un bloc onduleur 8 par
l'intermédiaire d'un autotransformateur 9. ~Ja borne de sortie
positive du bloc redresseur 7 est connectée à la ligne de lia.ison
3, tandis que la borne de sortie négative est rel.iée à la ligne
de liaison 4. La borne d'entrée positive du bloc onduleur 8
est reliée à la ligne de liaison 3 par l'intermédiaire succes-
sivement d'un disjoncteur 1.0, d'un élément résistif 11 et d'un
élément inductif 12. ~a borne négative de l'onduleur 8 est reliee
à la ligne de liaison 4 par l'intermédiaire également d'un élé-
ment inductif 13 et d'un élément résistif 14.
~'autotransformateur 9 agit en élévateur de tension
entre les sorties du bloc onduleur 8 et le secondaire du trans-
formateur a.daptateur 5. ~orsqu'un bloc onduleur es-t installé
sur un réseau d'alimentation de matériel. de traction électriquc,
cet onduleur trouve sur ses bornes, côté continu, la tension
normale délivrée par le bloc redresseur voisin; il doit avoir
une force contre-électromotrice supérieure à cette tension, de
façon ~ ne pas renvoyer sur le réseau alternatif l'énergie pro-
venant du bloc redresseur voisin; il ne doit débiter que sur
~ l'apparition de ten~ions supérieures provenant de mo-teurs en
cours de récupération.
~es caractérsitiques tension-courant du bloc redres-
seur et du bloc onduleur sont représentees sur la figure 2 de
maniare schématique. Pour simplifier, la caractéristique d.u
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bloc redresseur est représentée du côté des courants positifs,
la tension d'alimentation U décro~t sensiblement linéairement
avec le courant I, suivant la droite Ur, à cause de la résistance
interne de l'ensemble transformateur 5 et bloc redresseur 7.
~a droite Ut dans le prolongement de la droite Ur représente
la caractéristique d'un onduleur idéal qui serait connecté au
secondaire du transformateur adaptateur 5, cette caractéristique
fait ab~traction de~ chutes de tension et des angles d'avance à
l'amorçage de la commande des thyristors de l'onduleur 8.
En réalité, si l'onduleur était branché directement
aux bornes du secondaire du transformateur adaptateur 5, sa
caractéristique de tension devrait décro~tre en fonction du
courant de récupération. ~e fonctionnement de ltéquipement serait
alors instable et un violent courant d'échange entre redresseur
et onduleur pourrait s'établir, Pour éviter cette instabilité,
on était habituellement conduit à utiliser un transformateur
adaptateur différent pour ltonduleur pour obtenir une force
contre-électromotrice de l'onduleur supérieure à la tensiQn
normale du redresseur. ~e rapport de transformation du trans-
formateur adaptateur pour l'onduleur devait être nettement su-
périeur ~ celui du transformateur adaptateur pour le redresseur.
D'autre part, pour compenser la décroissance obligatoire de la
caractéristique de tension de ltonduleur, on était amené à pré-
voir dans la commande des thyristors un angle d'avance à l'amor-
çage important, angle qui se décompose en trois parties: un
angle de commutation qui augmente avec la charge, un angle de
désamorçage et un angle de garde constant pour des raisons de
sécurité. Ceci conduisait à un surdimensionnement du transfor-
mateur adaptateur, côté onduleur, et à une dégradation du fac-
teur de puissance, en particulier aux faibles charges.
Selon la présente réalisation,~l'obligatbire élévation
de la tension alternative de l'onduleur par rapport à celle du
redresseur est obtenue par l'autotransformateur 9, mais cette
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foi.s, le transformateur adaptateur 5 et l'appareillage de protec-
tion haute tension 6 sont communs au fonctionnement en redres-
seur et au fonctionnement en onduleur, Cela a pour conséquenceque cette obligatoire élévation de t.ension est inférieure à
cclle qui é-tait nécessaire dans le cas de deux transformateurs
adaptateurs distincts. Par conséquen-t, l'autotransformateur
dimensionné pour une élévation de tension dc quelques pourcents
seulement à un prix minimal. En effet, dans le cas d'un équi-
pement comportant deux transformateurs adaptateurs distincts,
le transformateur adaptateur pour le bloc redrcsseur fonctionnait
à vide pendant que celui du bloc ~nduleur était en charge. ~a
tension au secondaire du transformateur fonctionnant à vide
étant supérieure à la valeur mesurée au cours d'un fonctionne-
ment en charge, l'élévation de tension nécessaire au bon fonc-
tionnement de l'onduleur était donc importantc. Dans le présen-t,
le transformateur adaptateur 5 est pratiqucment toujours en
charge, soit pour le fonctionnement du bloc redresseur, soit
pour celui de l'onduleur.
Sur la figure 2, l'adjonction de l'autotrànsformateur
9 se traduit par une caractéristique théorique Ua située au-des-
sus de la caractéristique Ut, Cette caractéristique Ua ne tient
pas compte également des chutes de tension dans les circuits.
~a caractéristique réelle tenant compte de ces chutes de tension
est alors Ub. Selon l'invention encore, la mise cn série avec
le bloc onduleur 8 des éléments résistifs 11 et 14 modifie cette
caractéristique qui devient la droite U0. Cette caractéristique
est telle que U0 est constante pour toute valeur de I. ~a
va].eur des élcments résisti~s 11 et 14 es-t tclle que leur résis-
I,ance totale R, ajou-tée à la tension Ub de l'ondu].eur, est cons-
tante et égale à U0. Il est bien évident que cette résistanceaffecte le rendemcnt ma.is en contrepartie~ el]e permet d'obtenir
un mei]..leur fac-teur de puissance. ~'adjonction dc ces éléments
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résistifs évite en outre l'utilisat:ion d'un angle d'avance à
l'amorçage trop important. Un ang]e dc garde ~ vide, de dix à
quinze degrés est alors suLfisant.
Sur la f.igure 3, la tension alternative du redres-
seur appara~t en traits interrompus Vr et la tension alternative
V0 de llonduleur appara~t en traits contimls. ~a tensi.on ins-
tantanée de l'ondu].eur est supérieure à celle du redresseur,
donc tout débit est interdit du redressellr vers l'ondul.eur,
sauf pendant le temps de commutation des thyristors reprcsfnté
par llangle électri~ue ~ au cours duquel circule un courant de
circulation Ic de forme pulsée. Ces impu].sions de courant sont
limitées par la présence des élémen-ts inductifs 12 et 13. Ces
éléments inductifs assurent d'une part, la transformation des
tensions continues en tension présentant une ondulation et, d'autre
part, interviennent pour la limitation du cou.rant de circulation
Ic. ~a figure 3 montre également que les tensions du redressellr
et de l'onduleur sont rigoureusf.?ment en pl~ase et présentent
entre elles une variation de tension quasiment constante. Cela
cst dû au fait que l'autotransformatellr 9 présente une réactancf
propre très faible et nc provoque aucun déphasage, et égalemen-t
au fait que ltonduleur et le redresseur sont couplés au même
transformateur adaptateur.
~ 'utilisation d'un autotransformateur 9 est rendue
possible parce qu'un isolement galvanique n'est pas nécessaire
à cet endroit de l'équipement. Cet autotransformateur dimen-
sionné pour une augmentation de tension de quelques pourcents
seulement est un élément éco.nomique et peu encombrant. ~a
présente invention permet la réal;.sation d'équipfmcnt~ d'ali-
mentation et de récupération dans lesquels ltonduleur utilise
le transformateur adaptateur du redresseur. Outre l'é~onomie
ainsi faite, l.'onduleur présente un mei].leur facteur de puis-
sance et une exce].lf~nte stabilité de ~onctionnement. ~'adjonction
des él.éments résistif3 et inductifs permet d'ajuster la caracté-
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ris-tique tension-courant au mlelix des conditions d'emploi, tOIlt
en limitant la valeur du courant de circlllation entre le redres-
seur et l'onduleur Enfin, l'équipement suivant le présent mode
de réalisation ne nécessite aucun organe de commutation et la ré-
cupération est instantanée.
Pour simplifier les figures, les moyens de commande
électroniques des thyristors ne sont pas représentés. Cette
commande s'effectue en boucle ouverte, en prenant en considéra-
tion uniquement 1'intensité débitée par l'onduleur. A vide,
les impulsions de commande de l'amorcage des thyristors sont
émises avec un angle de garde de l'ordre de 10 à 15 degrés.Comme l'angle d'avance à l'amorçage augmente avec la charge, cela
entra~ne une carac-téristique descendante qui est ramenée sensi-
blement à l'horizontale, en tous cas une droite de pente infé-
rieure à celle du redresseur, au moyen des éléments résistifs.
Il est bien évident que, sans sortir du cadre de
l'invention, l'autotransforma-teur 9 pourrait ~tre inclus dans
le transformateur 5 de la manière suivante: le secondaire de ce
transformateur serait muni d'une prise adéquate qui serait di-
rectement reliée à l'onduleur 8.
~'invcntion s'applique à la trac-tion ferroviaire.
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