[0001] L'invention concerne un système de changeur de prise de transformateur en charge
permettant d'assurer la régulation de la tension de sortie du secondaire du transformateur
par changement du rapport de transformation. En effet, dans de nombreuses applications,
la charge à laquelle est soumise un transformateur peut varier et il convient néanmoins
de maintenir une tension de sortie sensiblement constante.
[0002] Pour cela, il est connu de faire varier le rapport de transformation du transformateur.
Ces changements sont généralement effectués à l'aide de prises intermédiaires prévues
au secondaire ou au primaire du transformateur et à l'aide de changeurs de prises
qui permettent ainsi de modifier les rapports de transformation. Ces changeurs de
prises doivent fonctionner en charge pour ne pas interrompre la circulation de courant
électrique. Cependant, la commutation de ces changeurs de prises provoque des arcs
électriques qui sont à l'origine de la détérioration de l'huile présente pour assurer
l'isolement. Une maintenance régulière doit être effectuée pour maintenir les performances
d'isolement du fluide.
[0003] La Figure 1 montre un exemple de système de changement de prises d'un transformateur
(OLTC) connu dans la technique.
[0004] Le changeur de prise de transformateur comprend un commutateur de réglage en charge
CX et un sélecteur SE comportant les prises intermédiaires 1, 2 et 3 du secondaire
du transformateur TR.
[0005] Les prises du sélecteur fixent les rapports de transformation utilisables. Le commutateur
CX est conçu pour limiter les contraintes pendant les changements de prises de charge.
[0006] Le commutateur de réglage CX comporte un commutateur rotatif CR permettant de connecter
une sortie d'utilisation B2 à l'un des contacts fixes A à D du commutateur rotatif.
Le contact mobile du commutateur rotatif possède une surface de contact suffisante
pour permettre de connecter la sortie B2 simultanément à deux contacts fixes voisins
du commutateur rotatif.
[0007] Sur la figure 1, le commutateur rotatif est dans une position connectant la sortie
B2 à la prise 2 du secondaire du transformateur. Pour passer de la prise de transformateur
2 à la prise 1, il convient de tourner le commutateur rotatif CR. Celui-ci va tout
d'abord connecter la sortie B2 en même temps aux contacts fixes A et B, puis va passer
sur le contact fixe B insérant ainsi l'impédance ZA dans le circuit du secondaire
du transformateur sans interrompre le circuit. Puis, le contact mobile connecte la
sortie B2 aux contacts fixes B et C. Les prises de charge 1 et 2 sont toutes les deux
connectées à la sortie B2 par les impédances ZA et ZB respectivement. Ensuite, le
contact mobile connecte la sortie B2 au contact fixe C, c'est-à-dire à la prise de
transformateur 1 par l'impédance ZB, puis aux deux contacts fixes C et D. Enfin, il
connecte la sortie B2 au contact fixe D seulement connectant ainsi la sortie B2 à
la prise 1.
[0008] Le changement de prises de charge du transformateur (de la prise 1 vers la prise
2) s'est donc fait sans interruption du circuit du secondaire du transformateur. Tout
autre changement de prises verrait apparaître des séquences similaires.
[0009] Le circuit électrique n'est donc jamais ouvert au cours d'un changement de prises
en prévoyant un état transitoire où une portion d'enroulement du transformateur est
mise en court circuit.
[0010] De plus, pour éviter un courant prohibitif, des impédances ZA et ZB sont placées
en série dans le circuit.
[0011] Par contre, lors des passages du contact mobile sur les contacts fixes A à C des
arcs électriques peuvent apparaître sur les contacts, ce qui présente un inconvénient
comme indiqué précédemment.
[0012] Les figures 2a et 2b représentent un type de changeur de prise de transformateur
en charge connu dans la technique et permettant d'éviter la formation d'arcs électriques
lors des commutations de prises. Ce changeur utilise des circuits de commutation à
semiconducteurs utilisant des thyristors à grilles de blocage (GTO) et des interrupteurs
mécaniques permettant de réduire la durée d'un changement de prise en l'absence d'arc
électrique.
[0013] Le principe de ce sélecteur est similaire à celui précédemment décrit mais le commutateur
est modifié : les résistances et le commutateur rotatif sont remplacés par des circuits
de commutation à semiconducteurs IN1, IN2, IN3, un transformateur auxiliaire tra et
des interrupteurs mécaniques S1 à S5.
[0014] Le circuit comportant le transformateur auxiliaire tra et le circuit de commutation
IN2 assurent, comme cela est décrit, par exemple, dans le document EP0644562, la connexion
en régime permanent de la borne de sortie B2 à une prise du secondaire du transformateur
TR.
[0015] Les circuits de commutation IN1 à IN3 sont réalisés comme cela est représenté en
figure 2b. Chaque circuit de commutation comporte quatre diodes et un thyristor à
grille de blocage.
[0016] Sur la figure 2a, si on suppose que le système est tel que les contacts S2 et S4
sont fermés et le circuit de commutation IN2 conducteur, l'alimentation fournie par
le transformateur TR se fait par la prise 2. Si on veut modifier le rapport de transformation
et commuter le système pour que l'alimentation se fasse par la prise 1, le système
de la figure 2a accomplira le processus suivant :
- fermeture de l'interrupteur S1,
- détection du passage par zéro du courant de charge et dès que ce courant passe par
zéro, ouverture du circuit de commutation IN2 et fermeture du circuit de commutation
IN1. Quelques instants plus tard, l'interrupteur S4 est ouvert alors qu'il est traversé
par le courant magnétisant du transformateur auxiliaire,
- détection à nouveau du passage par zéro du courant de charge, fermeture du circuit
de commutation IN3 et ouverture du circuit de commutation IN1,
- fermeture de l'interrupteur S5 alors que le courant n'est plus nul,
- détection à nouveau du passage par zéro du courant de charge, fermeture du circuit
de commutation IN2 et ouverture du circuit de commutation IN3. Le circuit se trouve
maintenant connecté à la prise 1 du transformateur.
[0017] Ce fonctionnement est illustré par les diagrammes des temps de la figure 2c. Dans
ces diagrammes, le fonctionnement de chaque contact et chaque circuit de commutation
du système de la figure 2a est individualisé par un diagramme particulier. Pour les
contacts S1 à S5 les parties hautes des diagrammes représentent les positions fermées
des contacts, les parties basses représentent les positions ouvertes des contacts,
et pour les circuits de commutation IN1 à IN3 les parties hautes représentent les
états conducteurs de ces circuits et les parties basses, les états non conducteurs.
[0018] Sur la partie inférieure de la figure 2c, on a représenté le courant qui circule
dans l'enroulement secondaire du transformateur TR. Cela est nécessaire parce que
la commutation des circuits de commutation IN1 à IN3 doit se faire en l'absence de
circulation de courant ou éventuellement à courant très faible voire négligeable.
[0019] On voit donc que ce système présente l'inconvénient de nécessiter la détection du
passage par zéro du courant de charge à chaque fois que l'on veut changer l'état des
circuits de commutation IN1 à IN3 pour que la commutation de ces circuits se fasse
à courant aussi faible que possible.
[0020] Il est à noter que la durée de commutation des interrupteurs S1 à S5 est nettement
supérieure à la durée de commutation des circuits de commutation IN1 à IN3.
[0021] De plus, les thyristors à grilles de blocage prévus dans les circuits de commutation
IN1 à IN3 imposent une limitation des variations de la tension aux bornes de ces thyristors
et des variations du courant qui les traverse lors de leurs commutations. Comme cela
est représenté sur la figure 2b, il est alors prévu un circuit CN de type résistance-condensateur
pour contrôler les variations de tensions aux bornes du thyristor et une inductance
en série avec le thyristor réduit la vitesse d'évolution du courant. La taille de
ces circuits RC et des inductances est liée à l'amplitude du courant commuté.
[0022] D'autre part, le courant de gâchette appliqué à la grille G et nécessaire au contrôle
du blocage du thyristor est proportionnel au courant commuté.
[0023] Le système des figures 2a et 2b présente donc l'inconvénient de nécessiter des circuits
associés aux thyristors pour limiter la tension et le courant de ces composants.
[0024] De plus, comme on l'a décrit précédemment, il doit être prévu un circuit de détection
de passage par zéro du courant de charge. L'inconvénient de cette solution est également
la fiabilité de l'équipement liée au besoin d'un circuit de détection du passage par
zéro du courant de charge.
[0025] De plus, l'utilisation d'un tel principe de commande pour une application triphasé
conduit à un déséquilibre transitoire lors des changements. En effet, le courant n'est
pas nul simultanément dans les trois phases. La commutation des composants de chacune
des phases n'est donc pas simultanée et un circuit de détection par phase doit être
utilisé.
[0026] L'invention concerne un système permettant de résoudre ces inconvénients.
[0027] L'invention concerne donc un système de changement de prise d'un transformateur en
charge dans lequel le secondaire ou le primaire comporte au moins une première et
une deuxième prises. Ce système comporte un circuit de connexion principal permettant
de connecter de façon permanente ou quasi permanente la première prise ou la deuxième
prise à une borne de sortie du secondaire ou du primaire du transformateur. Un premier
circuit de connexion secondaire permet de connecter la première prise temporairement
et directement à ladite borne de sortie du secondaire ou du primaire du transformateur.
Un deuxième circuit de connexion secondaire permet de connecter la deuxième prise
temporairement et directement à ladite borne de sortie. Chacun desdits circuits de
connexion comporte un ou plusieurs transistors bipolaires à grille isolée.
[0028] De plus, il est prévu un circuit de commande central commandant le fonctionnement
desdits circuits de connexion. Ce circuit de commande central ne comporte pas de dispositif
de détection de passage par zéro du courant de secondaire.
[0029] Par ailleurs, on prévoit que le circuit de connexion principal comporte un transformateur
auxiliaire d'isolement dont l'enroulement primaire permet de connecter une prise dudit
transformateur à ladite borne de sortie et dont l'enroulement secondaire peut être
mis en court circuit par la conduction d'un circuit de commutation.
[0030] La première prise étant connectée à la borne de sortie par le premier circuit de
commutation, le circuit de commande central comporte un séquentiel permettant, de
préférence, le fonctionnement des différentes étapes suivantes indépendamment de la
valeur du courant de charge du transformateur :
- conduction du premier circuit de connexion secondaire pour réaliser une connexion
temporaire en parallèle de la première prise à la borne de sortie,
- conduction du deuxième circuit de connexion secondaire pour réaliser une connexion
temporaire de la deuxième prise à la borne de sortie,
- connexion du circuit de connexion principal à la deuxième prise,
- non conduction du premier circuit de connexion secondaire,
- conduction du circuit de connexion principal,
- non conduction du deuxième circuit de connexion secondaire.
[0031] Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement
dans la description qui va suivre et dans les figures annexées qui représentent :
- les figures 1 à 2c, des changeurs de charge pour transformateurs connus dans la technique,
- les figures 3a et 3b, un exemple de réalisation d'un changeur de prise de transformateur
en charge conforme à l'invention,
- les figures 4a à 4j, différents états des circuits de la figure 3a au cours d'un changement
de prise d'un transformateur en charge,
- la figure 5, des diagrammes des temps illustrant les différents états du système de
l'invention illustrés par les figures 4a à 4j.
[0032] En se reportant aux figures 3a et 3b, on va donc décrire un exemple de changeur de
prise de transformateur en charge selon l'invention.
[0033] Selon cet exemple de réalisation, les prises de charge sont prévues sur l'enroulement
secondaire du transformateur, mais le système serait le même si les prises de charge
étaient prévues sur l'enroulement primaire du transformateur.
[0034] On trouve sur la figure 3a le transformateur TR avec son enroulement primaire connecté
au réseau ou à une alimentation électrique ALIM et avec son enroulement secondaire
aux bornes de sortie b1 et b2 duquel peut être connecté un circuit d'utilisation UTIL.
L'enroulement secondaire possède des prises p0, p1, et p2, qu'on appellera prises
de charge, permettant d'adapter le rapport de transformation du transformateur en
fonction de la charge du circuit d'utilisation UTIL. Un circuit de commutation CX
permet de connecter la borne de sortie b2 à l'une des prises de charges p0 à p2.
[0035] Ce circuit de commutation comporte principalement :
- un circuit de commutation principal I2 associé à un transformateur auxiliaire tra
qui permet en fonctionnement normal, la connexion de la borne de sortie à une prise
de transformateur p0 à p2 du secondaire du transformateur et qui permet donc, en fonctionnement
normal, l'alimentation du circuit d'utilisation par le courant fourni par le secondaire
du transformateur.
- deux circuits de commutation secondaires I1 et I3 permettant le changement de prises
de charge sans interrompre le circuit du secondaire du transformateur. Notamment,
le circuit de commutation I1 permettra de connecter de façon transitoire la prise
p1 directement à la borne de sortie b2, et le circuit de commutation I3 permettra
de connecter de façon transitoire la prise p2 à la borne de sortie b2.
[0036] Les trois circuits de commutation I1 à I3 sont conçus de la même façon. La figure
3b représente, à titre d'exemple, un circuit de commutation. Ce circuit comporte un
pont de quatre diodes Di1 à Di4. Un transistor bipolaire à grille isolée IGBT (IGBT
pour "Insulated Gate Bipolar Transistor") relie les deux branches du pont et permet
la conduction du courant dans les deux sens de telle façon que lors d'une alternance
le circuit Di1-IGBT-Di4 est conducteur et lors de l'alternance suivante, le circuit
Di2-IGBT-Di3 est conducteur.
[0037] Ce circuit de commutation peut aussi comporter plusieurs transistors bipolaires à
grilles isolées IGBT avec ou sans diodes.
[0038] Le transistor IGBT est rendu conducteur par application sur sa grille, d'une impulsion
de commande +Vdc fournie par un circuit central de commande CC sur un fil ci1 à ci3.
Il reste ensuite conducteur tant que le potentiel de commande +Vdc est appliqué à
sa grille. Il est bloqué par application d'une autre impulsion de commande de polarité
-Vdc.
[0039] Le transistor IGBT est prévu pour permettre la commutation de courants.
[0040] Sur la figure 3a on voit que les trois circuits de commutation I1 à I3 sont commandables
individuellement par le circuit central de commande CC par des fils de commande ci1
à ci3.
[0041] Les contacts C1 à C5 appartiennent à des relais non représentés qui sont également
commandés par le circuit central de commande.
[0042] En se reportant aux figures 4a à 4j, on va décrire le fonctionnement des circuits
de la figure 3a.
[0043] On suppose que la borne de sortie b2 est connectée à la prise p1 du secondaire du
transformateur. Le système est dans la situation représentée par la figure 4a avec
:
- les contacts C2 et C4 fermés,
- le circuit de commutation I2 conducteur,
- un courant circule dans les parties de circuits indiquées par des doubles flèches.
[0044] Par suite d'une modification de la charge du circuit d'utilisation, on désire changer
le rapport de transformation du transformateur TR. Pour cela, on désire, par exemple,
effectuer une connexion de la borne de sortie b2 à la prise p2 (au lieu de p1). Le
circuit de commande central CC va donc commander les différentes étapes suivantes
:
- étape 1 (figure 4b) : le contact C1 est fermé pour préparer la connexion à la prise
de transformateur p2. Le courant circule par les mêmes circuits que précédemment comme
cela est indiqué sur la figure 4b ;
- étape 2 (figure 4c) : dès que le contact C1 est fermé, on commute le circuit I1 pour
le rendre conducteur ;
- étape 3 (figure 4d) : quasiment simultanément avec l'étape 2 ou après l'étape 2, on
commute le circuit I2 pour le rendre non conducteur ;
- étape 4 (figure 4e) : ensuite, on ouvre le contact C4 ce qui prépare l'interruption
de la connexion vers la prise de transformateur p1 ;
- étape 5 (figure 4f) : après l'ouverture du contact C4, on commute le circuit I3 de
façon à le rendre conducteur et préparer la connexion à la prise de transformateur
p2 ;
- étape 6 (figure 4g) : le circuit I1 est alors commuté pour le rendre non conducteur
ce qui interrompt la connexion à la prise de transformateur p1 ;
- étape 7 (figure 4h) : à peu près dans le même temps que l'étape 6 ou après cette étape,
on ferme le contact C5 pour préparer la connexion permanente à la prise de transformateur
p2 ;
- étape 8 (figure 4i) : ensuite, on commute le circuit I2 pour établir la connexion
à la prise p2 par le transformateur auxiliaire tra ;
- étape 9 (figure 4j) : enfin, on commute le circuit I3 pour interrompre sa conduction.
Le circuit I3 a donc été rendu conducteur uniquement le temps nécessaire à la non
conduction du circuit I1 et à la conduction du circuit I2. La prise de transformateur
p2 est maintenant connectée à la borne de sortie b2 par les contacts C1 et C5 et le
transformateur tra ;
- étape 10 : ouverture du contact C2 (figure 4j).
[0045] Ce fonctionnement est géré par le circuit de commande central CC (figure 3a).
[0046] Dans ce fonctionnement, les contacts C1 à C5 sont commandés en l'absence de courant.
Ils ne commutent donc pas de courant ; il ne peut donc pas y avoir de risque de création
d'arc électrique.
[0047] La figure 5 illustre ce fonctionnement par des diagrammes de temps. Dans ces diagrammes,
le fonctionnement de chaque contact C1 à C4 et de chaque circuit de commutation I1
à I3 est individualisé par un diagramme particulier. Pour les contacts C1 à C5 les
parties hautes des diagrammes représentent les positions fermées des contacts et les
parties basses des diagrammes représentent les positions ouvertes des contacts. En
ce qui concerne les circuits de commutation I1 à I3, les parties hautes représentent
les états conducteurs de ces circuits et les parties basses, les états non conducteurs.
[0048] Comme on peut le voir sur ces diagrammes, le fonctionnement du système est indépendant
de la valeur du courant qui circule dans le secondaire du transformateur (absence
de détection de passages par zéro du courant dans le circuit secondaire du transformateur).
Ce fonctionnement est donc plus simple que dans les systèmes connus dans la technique
et notamment celui des figures 2a à 2c. De plus, les circuits de commutation I1 à
I3 sont également plus simples car ils ne nécessitent pas de circuits RC ni d'inductances
pour limiter les courants et les tensions.
[0049] L'utilisation de transistors IGBT évite donc la présence de circuit RC et la puissance
nécessaire à son contrôle est indépendante du courant commuté. La commutation au passage
par zéro du courant n'est plus un impératif ce qui supprime le circuit de détection
et améliore la fiabilité du système.
[0050] Dans une application triphasée, la commutation des trois phases est effectuée simultanément
puisque cette commutation est indépendante des valeurs des courants sur les trois
phases, et le déséquilibre transitoire est supprimé.
1. Système de changement de prise de transformateur en charge dans lequel le secondaire
ou le primaire du transformateur comporte au moins une première et une deuxième prises
(p1, p2), ledit système comportant un circuit de connexion principal (tra-I2) permettant
de connecter, en régime permanent, la première prise (p1) ou la deuxième prise (p2)
à une borne de sortie (b2) du secondaire ou du primaire du transformateur, un premier
circuit de connexion secondaire (I1) permettant de connecter ladite première prise
(p1) temporairement et directement à ladite borne de sortie (b2) du secondaire ou
du primaire du transformateur, un deuxième circuit de connexion secondaire (I3) permettant
de connecter ladite deuxième prise (p2) temporairement et directement à ladite borne
de sortie (b2), caractérisé en ce que chacun desdits circuits de connexion (I1, tra-I2, I3) comporte un ou plusieurs transistors
bipolaires à grilles isolées.
2. Système de changement de prise de transformateur en charge selon la revendication
1, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit de commande central (CC) commandant le fonctionnement desdits
circuits de connexion, ce circuit de commande central ne comportant pas de dispositif
de détection de passage par zéro du courant de secondaire.
3. Système de changement de prise de transformateur en charge selon la revendication
1, caractérisé en ce que le circuit de connexion principal comporte un transformateur auxiliaire d'isolement
dont l'enroulement primaire permet de connecter une prise de transformateur (p1, p2)
à ladite borne de sortie (b2) et dont l'enroulement secondaire peut être mis en court
circuit par la conduction d'un circuit de commutation (I2).
4. Système de changement de prise de transformateur en charge selon la revendication
1,
caractérisé en ce que, la première prise (p1) étant connectée à ladite borne de sortie (b2) par le premier
circuit de commutation, le circuit de commande central (CC) comporte un séquentiel
permettant le fonctionnement des différentes étapes suivantes indépendamment de la
valeur du courant de charge du transformateur :
- conduction du premier circuit de connexion secondaire (I1) pour réaliser une connexion
temporaire en parallèle de la première prise (p1) à la borne de sortie (b2),
- conduction du deuxième circuit de connexion secondaire (I2) pour réaliser une connexion
temporaire de la deuxième prise (p2) à la borne de sortie (b2),
- connexion du circuit de connexion principal (tra-I2) à la deuxième prise (p2),
- non conduction du premier circuit de connexion secondaire (I1),
- conduction du circuit de connexion principal (tra-I2),
- non conduction du deuxième circuit de connexion secondaire (I3).