Fours à arc

Dossier délivré pour
Madame, Monsieur
17/09/2008
Fours à arc
par
Maurice KRATZ
Ingénieur à l’École Nationale Supérieure d’Électricité et de Mécanique
Ingénieur-chercheur au service Matériel électrique (ERMEL) à la Direction des Études
et Recherches d’Électricité de France
1.
Principe du four à arc .............................................................................
D 5 920
2.
2.1
2.2
2.3
Four à arc à courant alternatif .............................................................
Description technologique..........................................................................
Principe de fonctionnement........................................................................
Description de la partie électrique .............................................................
2.3.1 Transformateurs .................................................................................
2.3.2 Réactances ..........................................................................................
2.3.3 Appareillage de manœuvre à haute tension ....................................
2.3.4 Circuit secondaire ...............................................................................
2.3.5 Compensation d’énergie réactive .....................................................
—
—
—
—
—
—
—
—
—
3
3
4
4
4
5
6
6
6
3.
3.1
3.2
3.3
Four à arc à courant continu ................................................................
Description technologique..........................................................................
Principe de fonctionnement........................................................................
Description de la partie électrique .............................................................
—
—
—
—
7
7
8
8
4.
4.1
Perturbations produites par les fours à arc sur les réseaux .......
Flicker ou papillotement de l’éclairage ......................................................
4.1.1 Caractérisation du phénomène de flicker
et limites admissibles sur les réseaux ..............................................
4.1.2 Techniques de compensation du flicker ...........................................
Harmoniques................................................................................................
4.2.1 Caractérisation des harmoniques et limites admissibles
sur les réseaux ....................................................................................
4.2.2 Techniques de réduction des harmoniques .....................................
Exemples de fours à arc récents avec systèmes de limitation
des perturbations.........................................................................................
—
—
9
9
—
—
—
9
10
12
—
—
12
14
—
15
—
—
—
—
15
15
15
17
4.2
4.3
5.
5.1
5.2
5.3
Phénomènes transitoires internes aux alimentations
de fours à arc ............................................................................................
Surtensions ..................................................................................................
Instabilité liée à la résonance parallèle......................................................
Enclenchement à vide des transformateurs de four.................................
Pour en savoir plus ..........................................................................................
- 2
Doc D 5 920
e four à arc d’aciérie est un outil de fusion destiné à fondre un métal primaire
qui est, en général, de la ferraille, mais qui peut être de la fonte (solide ou
liquide) ou encore des minerais préréduits.
C'est au début du XX e siècle que sont apparus les premiers fours à arc industriels. Depuis cette époque, bien que reposant sur les mêmes principes de base,
les fours à arc ont connu un développement important aussi bien du point de
vue technologique que du point de vue capacité de production. En effet, la capacité des fours modernes avoisine les 200 t avec une consommation énergétique
comprise entre 400 et 500 kWh/t.
L
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D 5 920 − 1
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FOURS À ARC
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Les grands fours industriels représentent une part importante de la consommation d'énergie électrique dans le domaine industriel (près de 4 % de la
consommation de la grande industrie en France). Selon certaines études prospectives, la filière électrique devrait continuer à croître pour couvrir, vers 20052010, environ 50 % de la production d'acier dans le monde.
1. Principe du four à arc
— les installations annexes, telles que le système d’aspiration et
traitement des fumées et le système d’additions.
■ L’élaboration de l’acier dans un four à arc se déroule en trois
phases (figure 2) :
Rappel historique
C'est au début du XXe siècle, comme dit dans l’Introduction, que
sont apparus les premiers fours à arc industriels.
Initialement, le four Héroult (figure 1a) comportait deux électrodes reliées chacune à une borne d'une génératrice à courant
continu ou alternatif. Assez rapidement, il a été équipé de trois
électrodes reliées à un réseau triphasé.
À cette époque, il existait un autre type de four à arc, aussi très
répandu pour la fusion de l'acier : le four Girod (figure 1b). Ce four
comportait une seule électrode de voûte, reliée à une des bornes
d'une génératrice, et plusieurs électrodes de sole en acier, reliées
ensemble à l'autre borne.
La capacité de ces fours était de l'ordre de quelques tonnes à
quelques dizaines de tonnes.
Le four à arc se compose d’une cuve garnie de réfractaires et
l’énergie nécessaire est fournie par des arcs électriques jaillissant
entre des électrodes en graphite et la charge.
■ Les principaux éléments constitutifs du four électrique sont :
— l’alimentation électrique ;
— l’enceinte du four proprement dite capable de contenir d’abord
des ferrailles à fondre, de densité relativement faible (donc nécessité d’un grand volume disponible), puis de l’acier liquide porté à
des températures de 1 600 à 1 700 °C (donc nécessité d’un revêtement intérieur de cuve à l’aide de réfractaires), notamment au fond
de cuve (sole réfractaire) ;
1. L’amorçage : c’est la première période de la fusion pendant
laquelle les électrodes creusent leurs puits à travers la ferraille
froide. La puissance électrique et la tension d’arc ne sont généralement pas maximales par souci de stabilité électrique de l’arc.
Dans cette première période, on cherche surtout une vitesse de
descente des électrodes rapide, de façon à augmenter la distance
arc-voûte et donc à limiter le rayonnement thermique sur la voûte.
2. La fusion : dans cette phase, la charge est fondue par rayonnement direct de l’arc sur les ferrailles, ou par échanges de chaleur
(rayonnement, conduction) du bain avec les ferrailles. Au début de
cette phase, l’arc électrique étant complètement entouré par la
charge, il n’y a pas de risques de dégradation pour les réfractaires.
La puissance et la tension d’arc sont pratiquement à leur niveau
maximal. Au fur et à mesure de l’avancement de la fusion, les ferrailles situées entre les arcs et les parois sont fondues ou s’affalent
dans le bain. Progressivement, les parois du four sont exposées au
rayonnement de l’arc et la puissance est alors réduite si ce rayonnement devient trop intense.
3. L’affinage : durant l’affinage sont effectuées la montée en température de l’acier jusqu’à la température de coulée ainsi que les différentes opérations métallurgiques. Dans cette dernière phase, la
puissance et la tension d’arc sont abaissées à un niveau compatible
avec l’usure des réfractaires des parois latérales.
■ Traditionnellement, les aciéries électriques sont équipées de
deux fours à arc :
— un four pour la fusion des ferrailles ;
— un four pour l’affinage en poche.
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Électrode de voûte
Électrodes
Métal
a four Héroult
D 5 920 − 2
Électrodes
de sole
b four Girod
Figure 1 – Coupe schématique
des fours Héroult et Girod
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1 2
3
(V)
800
45
6
51 MW
7
(MW/h)
45
51 MW
53 MW
700
40 MW
On distingue aussi deux types de fours de fusion : le four à courant alternatif, décrit paragraphe 2 et le four à courant continu,
décrit paragraphe 3.
8
Le four d’affinage en poche est un four de puissance plus réduite
et fonctionne toujours sur un bain plat d’acier liquide issu du four de
fusion. Généralement, ce four poche est un four à courant alternatif.
40
40 MW
35
600
30
500
2. Four à arc à courant
alternatif
25
400
20
Plot de tension
300
Consommation énergétique
200
15
2.1 Description technologique
10
100
5
Dans le four à arc à courant alternatif triphasé, les arcs se développent entre chacune des trois électrodes en graphite et le métal. Le
métal fond par attaque directe des arcs qui creusent des puits dans
la charge métallique solide. Lorsque ces puits sont formés, les arcs
travaillent sur un bain liquide dont le volume augmente au cours de
la fusion.
Le four se compose des éléments suivants (figure 3) :
— la cuve ;
— le berceau de basculement ;
— la voûte.
0
0
0
10
1
2
3
4
20
30
chargement 1er panier
amorçage
fusion
chargement 2e panier
50
60
60
Temps (min)
5
6
7
8
amorçage
fusion
affinage
coulée
Figure 2 – Diagramme de fusion d’un four à arc : exemple
Tubes omnibus
à circulation d'eau
Poutres de
suspension
de voûte
Pinces
d'électrodes
Ressorts
de serrage
de pince
Câbles souples d'alimentation
Vérin de desserrage de l'électrode
Cercle de voûte
Bras de l'électrode
Électrodes en graphite
Mât
Voûte réfractaire
Vérin de basculement
Chemin de roulement
Bec de coulée
Cuve du four
Plate-forme
basculante
Moto-réducteur
de régulation
Le four représenté est un four à bélier
Figure 3 – Vue extérieure d’un four à arc à courant alternatif
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FOURS À ARC
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■ La cuve du four à arc
La cuve en tôle d’acier renforcée par des nervures est revêtue
intérieurement d’un garnissage réfractaire. Cette cuve est composée de deux parties : le fond ou « sole » et la virole. Sur de nombreux fours, cette virole est amovible et il existe une virole de
rechange. De cette manière, on gagne un temps précieux, le four
pouvant continuer à être utilisé pendant la réfection du garnissage
réfractaire.
La technique de garnissage a connu une évolution importante
vers les années 1975 par l’apparition de viroles composées de panneaux refroidis par circulation d’eau (water-jackets) en lieu et place
de la tôle revêtue de réfractaire.
Deux ouvertures sont prévues dans la cuve pour la porte de
décrassage et le bec de coulée.
■ Le berceau de basculement
Le four à arc possède deux positions de basculement :
— en avant, pour la coulée, avec un angle suffisant pour que le
four se vide bien ;
— en arrière, pour le décrassage.
Le basculement est assuré par des vérins hydrauliques, dont la
course limite celui-ci. D’autre part, la disposition du centre de gravité et du centre de basculement est telle que le four a toujours tendance à revenir dans sa position normale de travail, de manière à
limiter le risque d’accident en cas de défaillance du système de
commande.
● D’une part, la nature alternative de l’alimentation électrique
génère des phénomènes d’extinction et de réallumage successifs à
chaque passage par zéro de l’alternance de courant. Cet aspect est
caractérisé par un comportement dissymétrique des arcs selon que,
suivant les alternances du courant, les électrons sont émis par
l’électrode de graphite ou par les ferrailles. Ce réamorçage de l’arc
est très perturbé lors des débuts de fusion sur des ferrailles froides,
car celles-ci sont alors peu favorables à l’émission électronique.
● D’autre part, la charge métallique perturbe le fonctionnement
de l’arc par ses mouvements, par son hétérogénéité physique, par la
présence d’éléments non métalliques. Cela se traduit par des variations d’intensité de courant dans l’arc pouvant aller jusqu’à des
courts-circuits ou des interruptions de fonctionnement. Ces effets
sont très marqués en début de fusion, puis leur importance décroît
au fur et à mesure de l’avancement de la fusion.
● Enfin, le fonctionnement de l’arc est également perturbé par les
vibrations des potences porte-électrodes excitées par des effets
électromagnétiques, phénomènes d’autant plus marqués que
l’amplitude des courants qui parcourent les électrodes est forte.
■ La puissance des fours à arc à courant alternatif est régulée par
variation de la longueur des arcs en agissant sur la hauteur des électrodes et sur leur tension d’alimentation. Cette régulation est relativement lente, car elle dépend, d’une part, de la vitesse de montée et
de descente des vérins du porte-électrodes et, d’autre part, de la
vitesse de variation du changeur de prises du transformateur de
four.
La voûte, ou couvercle du four, est réalisée en briques réfractaires
maintenues par un anneau de voûte. Elle est percée de trois trous
destinés au passage des électrodes ; un quatrième trou sert à l’aspiration des fumées qui sont filtrées avant d’être rejetées dans
l’atmosphère.
■ En comparaison avec le four à courant continu, le four à courant
alternatif présente deux avantages :
— ne nécessitant aucun composant d’électronique de puissance,
l’alimentation électrique est constituée de composants électrotechniques classiques et présente un moindre coût ;
— aucune électrode de sole, placée au fond de cuve au travers de
la sole réfractaire, n’est nécessaire pour le retour du courant.
Comme pour la virole, la voûte peut aussi être formée d’éléments
à circulation d’eau. Dans ce cas, seule la partie centrale autour des
électrodes reste constituée de réfractaires.
2.3 Description de la partie électrique
2.2 Principe de fonctionnement
Étant donné les puissances mises en jeu, les fours à arc de sidérurgie sont toujours raccordés au réseau au niveau haute tension
(110 kV, 225 kV et quelquefois 400 kV).
■ La voûte
Les propriétés de l’arc électrique sont traitées dans l’article Arc
électrique [15]. Retenons simplement que, contrairement à ce qui se
passe pour une résistance linéaire, l’arc électrique a une caractéristique non linéaire avec une résistance dynamique (figure 4).
■ Pour les fours à courant alternatif, le fonctionnement de l’arc
est plus ou moins stable et cela pour différentes raisons.
L’architecture d’alimentation électrique la plus couramment
répandue comporte (figure 5) :
— un transformateur abaisseur permettant de passer de la haute
tension à une moyenne tension intermédiaire ;
— un disjoncteur de protection et un disjoncteur de manœuvre ;
— un transformateur de four réglable en charge, permettant de
passer de la tension intermédiaire à des basses tensions au niveau
du four ;
— un ensemble de câbles souples et un porte-électrodes ;
— un système de compensation d’énergie réactive comprenant
un filtrage antiharmonique ; la compensation d’énergie réactive
peut être obtenue soit par des batteries de condensateurs, soit par
un dispositif plus élaboré de compensation statique (cf. § 2.3.5).
Tension d'arc (V)
500
–50
2.3.1 Transformateurs
50
Courant d'arc (kA)
–500
Figure 4 – Exemple de caractéristique d’un arc alimenté
en courant alternatif
D 5 920 − 4
L’alimentation électrique d’un four à arc comprend un transformateur abaisseur de tension et un transformateur de four.
2.3.1.1 Le transformateur abaisseur
Dans certains pays, le transformateur abaisseur est un transformateur de distribution de série mais suffisamment surdimensionné
en puissance. D’autres préfèrent utiliser des transformateurs spéciaux renforcés et de puissance sensiblement voisine des besoins
de l’aciérie.
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Réseau haute tension
Transformateur
abaisseur
Disjoncteur
de manœuvre
et protection
Disjoncteur
de protection
Disjoncteur
de manœuvre
et protection
L’ingénierie, en charge de la conception d’une alimentation de
four, doit donc :
— d’une part, imposer au constructeur des spécifications plus
sévères que celles adoptées pour les transformateurs de distribution (classe d’isolation supérieure, température d’échauffement au courant nominal plus faible) et examiner avec lui des
dispositifs de calage des enroulements, leur permettant de
résister aux vibrations provoquées par les fluctuations d’arc ;
— d’autre part, étudier soigneusement avec l’installateur des
dispositifs de protection contre les surtensions et phénomènes
de résonance éventuelle.
Disjoncteur
de manœuvre
2.3.2 Réactances
Transformateur
de four
Transformateur
de four
Compensation de
l'énergie réactive
Four de fusion
Four poche
Figure 5 – Schéma électrique d’un four à arc à courant alternatif
En fait, la charge de ce transformateur est assez différente de celle
d’un transformateur de distribution. En effet, les efforts électrodynamiques sur les conducteurs dus aux courants d’enclenchement du
transformateur et à la charge fluctuante du four sont très importants. C’est donc cette résistance aux efforts électrodynamiques qui
guidera le choix technico-économique entre les différentes solutions.
2.3.1.2 Le transformateur de four
Le transformateur de four est, pour sa part, assez différent d’un
transformateur de distribution et beaucoup plus délicat. En effet :
— son rapport de transformation (rapport du nombre de spires
du primaire au nombre de spires du secondaire) est très élevé puisque les tensions secondaires sont de l’ordre de quelques centaines
de volts, les tensions primaires étant de l’ordre de 10 à 70 kV ; le rapport est donc nettement plus élevé (couramment 10 fois plus) que
celui des transformateurs classiques ;
— il est à prises multiples pour permettre au conducteur de four
d’ajuster la tension secondaire en fonction des phases de fusion ;
— il est soumis à des efforts électrodynamiques importants dus
aux fortes variations d’intensité du courant, d’où un certain avantage pour le transformateur de type cuirassé, au moins pour les
puissances importantes ;
— sa réactance est en général faible, de l’ordre de 4 à 5 % pour les
puissances élevées, afin de maintenir dans des limites raisonnables
la réactance totale de l’alimentation.
Deux types de transformateurs sont utilisés en aciérie : le transformateur colonne et le transformateur cuirassé. Le réglage de la
tension peut être effectué par variation du nombre de spires au primaire, à l’aide d’un autotransformateur de réglage ou d’un booster.
En règle générale, on utilise un transformateur de type intérieur à
bain d’huile et circulation forcée avec réfrigérant extérieur au transformateur.
Les fours des aciéries les plus performantes dont la capacité de
production annuelle dépasse le million de tonnes ont des puissances spécifiques d’au moins 1 000 kVA par tonne avec une tension
secondaire maximale qui peut dépasser 1 000 V entre phases. Cette
marche à tension secondaire plus élevée et en arc long peut
d’ailleurs obliger à ajouter au transformateur une réactance additionnelle pour maintenir la stabilité de l’arc.
Si l’on tient compte de l’accélération des cadences de production,
on conçoit que le transformateur soit soumis aujourd’hui à des
contraintes plus importantes.
2.3.2.1 Les réactances linéaires
Dans un four à courant alternatif, à chaque demi-période, le courant passe par zéro. L’arc s’éteint, et le canal ionisé est rompu. Une
certaine tension, appelée tension d’amorçage, est nécessaire pour
rétablir l’arc. Alors, plus le facteur de puissance est faible, c’est-àdire plus le déphasage entre la tension et le courant est important,
plus la tension disponible pour réamorcer l’arc est élevée lorsque le
courant passe par zéro. L’instabilité de l’arc peut ainsi être réduite.
Pour maintenir le facteur de puissance à un niveau suffisamment
faible pour que l’arc soit stable, on place en série avec le transformateur du four une réactance linéaire (figure 6a).
■ L’insertion d’une réactance dans l’alimentation peut avoir plusieurs effets bénéfiques [1]. Elle permet de réduire les courants de
court-circuit ainsi que les efforts électrodynamiques. La réduction
de ces efforts électrodynamiques a pour conséquence de réduire les
vibrations et les casses d’électrodes et de ralentir le vieillissement et
l’usure des différents composants de l’alimentation. Par son action
de lissage des courants d’arc, elle peut également contribuer à une
meilleure stabilité des arcs électriques, ce qui permet alors d’utiliser
des plots de tension supérieure au niveau du transformateur de
four. L’arc étant plus stable, les électrodes sont aussi plus éloignées
de la ferraille puisqu’on peut se permettre des longueurs d’arc plus
importantes.
En contrepartie, en régime transitoire rapide, cette réactance
a pour effet de générer des tensions avec des fronts beaucoup plus
raides et des surtensions d’amplitudes plus élevées. Ces phénomènes peuvent alors augmenter les contraintes électriques auxquelles
sont soumis les différents composants de l’alimentation. Par conséquent, lors de la conception ou de la rénovation du réseau d’alimentation, il faut en tenir compte et réajuster les systèmes de protection
de l’alimentation.
Des réactances linéaires sont actuellement en service sur de nombreux sites où elles donnent entière satisfaction, aussi bien du point
de vue de la réduction du taux de flicker que de l’accroissement du
rendement.
■ D’une manière générale, il est très difficile d’établir des règles de
dimensionnement de cette réactance. En fait, le dimensionnement
d’une réactance série ne peut se faire qu’au cas par cas en fonction
des caractéristiques de l’alimentation et des conditions d’exploitation du four. Pour certaines aciéries, cette réactance est choisie pour
résoudre des problèmes électrotechniques (casses d’électrodes trop
fréquentes, vibrations excessives du porte-électrodes...). Pour
d’autres aciéries, elle est choisie pour augmenter la productivité du
four en diminuant, par exemple, les temps de fusion.
2.3.2.2 Les réactances saturables
Les commutateurs de prises des transformateurs nécessitant un
entretien important et coûteux, une solution technique proposée
par des constructeurs et quelquefois mise en pratique sur des fours
à arc consiste à insérer, directement en amont du transformateur de
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FOURS À ARC
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2.3.3 Appareillage de manœuvre à haute tension
Réseau moyenne tension
Réseau moyenne tension
Nota : le lecteur pourra, pour plus de détails, se reporter à la référence [3].
Réactance
linéaire
=
Réactance
saturable
Transformateur
de four
Transformateur
de four
L’appareillage de manœuvre du four doit assurer la protection de
l’installation, c’est-à-dire comporter un disjoncteur d’un pouvoir de
coupure au moins égal à la puissance de court-circuit de la ligne
d’alimentation, mais aussi être capable d’assurer les nombreuses
manœuvres (de l’ordre de 3 000 à 5 000 manœuvres mensuelles)
que peut imposer la cadence d’exploitation du four. Un disjoncteur
de four doit donc être étudié pour pouvoir supporter des contraintes
électromécaniques particulièrement sévères.
Deux types de disjoncteurs ont été adoptés par les aciéristes pour
satisfaire à ce double impératif.
■ Disjoncteur à vide
Four de fusion
Four de fusion
a
b
Figure 6 – Réactances linéaire et saturable
La facilité d’ajustement, la faible usure des contacts, ainsi que la
faible course mécanique assurent une durée de vie importante (de
l’ordre de 100 000 manœuvres). Il est donc d’une grande fiabilité
même avec un entretien faible. En revanche, il peut donner lieu à
des surtensions transitoires importantes et il y a lieu d’en tenir
compte dans le choix du disjoncteur et la protection des transformateurs et des autres composants sensibles de l’alimentation comme
les batteries de condensateurs ou les filtres antiharmoniques.
■ Disjoncteur à hexafluorure de soufre
four, une réactance saturable (figure 6b). Cette solution technique
utilise la non-linéarité de la courbe de magnétisation des matériaux
ferromagnétiques.
La réactance saturable est constituée d’une bobine enroulée sur
un matériau ferromagnétique et excitée par un courant continu. Ce
courant est ajustable en fonction du point de fonctionnement du
four et donc de la phase de fusion. En fait, l’avantage de la réactance
saturable est de fonctionner grâce au comportement physique du
matériau. Si le courant augmente, la bobine se sature, et donc le
limite [2].
■ Des observations effectuées sur des sites équipés de réactances
saturables ont permis de mettre en évidence les avantages
suivants :
— le niveau de flicker et la variation de puissance réactive sont
considérablement réduits ;
— le courant est pratiquement constant pendant la première
phase de fusion et présente de faibles variations pendant les autres
phases ;
— la réduction des contraintes électromécaniques et des vibrations mécaniques est très importante ;
— la consommation en électrodes est réduite ;
— le commutateur en charge du transformateur de four est
devenu inutile, le courant au secondaire étant maintenu constant ;
— le système est particulièrement souple et permet de changer
rapidement le point de fonctionnement du four sans connaître les
problèmes dus au commutateur en charge du transformateur.
■ Par contre, les qualités, en terme de rendement de la réactance
saturable ne sont pas totalement conservées. En effet, un four muni
d’une réactance linéaire démarre à pleine puissance et creuse rapidement un « puits » dans la ferraille. Par contre, les instabilités étant
grandes pendant cette première phase, le courant du four équipé
d’une réactance saturable est constamment écrêté pendant les premières minutes de la fusion. Le « puits » est un peu plus long à creuser et donc le rendement économique total du système est
légèrement plus faible. De plus, la magnétisation du circuit secondaire crée des pertes supplémentaires (quelques centaines de kilowatts) et nécessite une alimentation à courant continu spécifique.
L’écrêtage du courant tend également à produire des harmoniques
caractéristiques qui doivent être pris en compte lors du dimensionnement du filtrage antiharmonique associé au four. Enfin, le coût de
fabrication d’un tel système est relativement élevé et avoisine celui
d’un transformateur classique.
D 5 920 − 6
La rupture de l’arc est réalisée dans une atmosphère de gaz SF6 ,
ce qui permet de réduire considérablement la course des contacts et
donc les efforts mécaniques. Sa durée de vie est de l’ordre de
60 000 manœuvres avec un entretien régulier.
2.3.4 Circuit secondaire
Le circuit secondaire assure la liaison entre le secondaire du
transformateur de four et le four. Il comprend donc obligatoirement
une partie composée de câbles souples, de façon à permettre les
mouvements du four, et un jeu de barres fixes.
■ Câbles souples
Les fours modernes utilisent des câbles à circulation d’eau, de
façon à réduire le nombre, et de longueur aussi faible que possible,
compte tenu des mouvements du four, pour en minimiser la réactance.
■ Jeu de barres
Suivant les courants mis en jeu et le type de couplage secondaire
du transformateur (triangle ou étoile, extérieur ou intérieur), le jeu
de barres peut être réalisé en plats de cuivre ou en tubes à circulation d’eau.
2.3.5 Compensation d’énergie réactive
2.3.5.1 Généralités
Le 1er novembre 1987 est entrée en vigueur une nouvelle disposition tarifaire EDF abaissant le seuil de facturation de l’énergie réactive de tan ϕ = 0,6 à 0,4. Cette mesure a permis d’augmenter la
puissance transmissible du réseau, ainsi que d’éviter le surdimensionnement d’installations de transport et de distribution qui grèverait le coût de la fourniture d’énergie électrique.
Par ailleurs, cette mesure présente des avantages du point de vue
du consommateur par la réduction des pertes Joule et des chutes de
tension dans les câbles.
Les fours à arc fonctionnent avec des facteurs de puissance
compris entre 0,7 et 0,8, la composante réactive de la puissance
étant soumise à de fortes variations.
A titre d’exemple, la figure 7 donne les courbes caractéristiques
d’un four à arc.
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cos ϕ
Réseau d'alimentation
ρ
ρ 1
0,8
Pa
cos ϕ
Transformateur
abaisseur
0,6
Disjoncteurs
de manœuvre
et protection
Paa
0,4
0,2
p
I (A)
0
Transformateurs
de four
Icc
I
Icc
courant d'arc
courant de court-circuit
Pa
puissance active au niveau du transformateur
Paa
puissance active de l'arc
p
pertes électriques
cos ϕ facteur de puissance
ρ
rendement électrique
Figure 7 – Courbes caractéristiques d’un four à arc
Actuellement, il existe deux techniques de compensation de
l’énergie réactive : une technique à composants passifs essentiellement composée de condensateurs et une technique plus dynamique basée sur des composants d’électronique de puissance.
2.3.5.2 Compensation par batteries de condensateurs
Les batteries de condensateurs sont actuellement le moyen le
plus économique et le plus simple de production d’énergie réactive
dans les installations industrielles (figure 5).
Elles présentent les avantages de tous les équipements statiques :
— une absence d’usure mécanique et un entretien réduit ;
— de faibles pertes ;
— un faible volume et une installation facile.
En revanche, elles comportent quelques limitations :
— leur puissance réactive n’est pas réglable simplement et elle
varie avec la tension d’alimentation ;
— leur manœuvre (enclenchement et déclenchement) provoque
des phénomènes transitoires plus ou moins importants ;
— des risques de résonance et d’amplification harmonique sont
également possibles en fonction de l’inductance du réseau.
2.3.5.3 Compensateur statique de puissance réactive
Nota : le lecteur pourra, pour plus de détails, se reporter à la référence [4].
À la différence de l’autre procédé qui est un procédé passif, le
compensateur statique de puissance réactive est un procédé dynamique qui compense une puissance instantanée (figure 8).
Dans ce système, la charge perturbatrice n’est pas modifiée mais
une source de puissance réactive lui est ajoutée en parallèle de
manière à ce que, vu du réseau, l’on ait en permanence :
∆ Q charge + ∆ Q compensateur = 0
Absorbeur
Filtres
Four de fusion
Four poche
Figure 8 – Schéma d’un four à arc avec compensateur statique
de puissance réactive
Les batteries de condensateurs peuvent être connectées en permanence, éventuellement manœuvrées en charge par gradins à
l’aide de commutateurs en charge ou valves à thyristors en fonction
des besoins du système. Une partie de ces condensateurs peut être
associée à des inductances pour constituer un filtre de courants harmoniques, destinés à limiter l’injection sur le réseau des courants
harmoniques engendrés par les inductances contrôlées, ou à diminuer les tensions harmoniques liées aux courants harmoniques
préexistants, ce qui peut être le cas pour des réseaux industriels.
À chaque alternance, une valve peut être amorcée avec un retard
choisi pour faire passer dans l’inductance un courant dont l’onde
fondamentale est en quadrature arrière sur l’onde de tension, et
dont l’amplitude est fonction de l’instant d’amorçage de la valve.
De cette façon, la puissance réactive absorbée par l’ensemble
peut varier de zéro (thyristors bloqués) à la puissance qu’absorberait l’inductance directement raccordée au réseau (thyristors
conduisant pendant toute l’alternance).
Le compensateur statique présente les avantages suivants :
• il augmente le facteur de puissance ;
• il réduit les harmoniques de courant ;
• il rééquilibre les trois phases que le four rend asymétriques ;
• il limite la chute de tension, accroît la puissance injectée et
donc le rendement ;
• il réduit les pertes au niveau des lignes et des transformateurs
en limitant le courant réactif ;
• il réduit le phénomène de flicker.
3. Four à arc à courant
continu
Pour un four à arc, la charge perturbatrice se comportant toujours
comme une inductance (elle absorbe de la puissance réactive), le
compensateur se présente comme une inductance également variable, la somme de ces deux réactances étant constante.
3.1 Description technologique
Le compensateur statique est constitué d’un ensemble d’inductances linéaires dont le courant est contrôlé par des valves à thyristors, alimentées en moyenne tension et associées à des batteries de
condensateurs.
Du point de vue descriptif, le four à arc à courant continu est semblable au four à courant alternatif (§ 2.1). Il s’en distingue toutefois
par son alimentation électrique et par la présence d’une ou de plusieurs électrodes de sole (figure 9).
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FOURS À ARC
_________________________________________________________________________________________________________________________
Électrode
La maîtrise de la déviation d’arc nécessite une étude soignée du
cheminement des conducteurs, notamment ceux qui relient les électrodes de sole.
Voûte refroidie
,,
,,
,,
,
,,,,
Panneaux
refroidis
Porte de
travail
Chenal de
coulée
Sole réfractaire
Anodes
■ Dans le cas des fours à courant continu, la régulation de puissance est obtenue, d’une part, par les redresseurs commandés et,
d’autre part, par variation de la longueur des arcs par action sur la
hauteur des électrodes. La régulation par redresseurs commandés
est alors relativement rapide et permet de compenser les variations
de courant dues à l’instabilité des arcs dans le four.
En comparaison avec le four à courant alternatif, le four à courant
continu présente aussi des avantages :
— la dissipation d’énergie le long de l’arc est supérieure du côté
du pôle positif ; ce pôle positif étant constitué par la ferraille ellemême, l’électrode de graphite reste toujours pôle négatif et s’use
donc moins ;
— le courant continu est maintenu constant par le redresseur,
même au court-circuit d’arc, ce qui conduit à une réduction des fluctuations d’énergie réactive et donc du flicker.
Figure 9 – Schéma de l’enceinte d’un four à arc à courant continu
■ Autrefois, les fours à courant continu de grande puissance étaient
équipés d’un système de trois électrodes alimentées chacune par un
redresseur spécifique. Il faut toutefois préciser que les fours triélectrodes sont de moins en moins utilisés, essentiellement pour
des raisons de productivité et de rayonnement d’arc. On peut rappeler que les trois arcs électriques à courant continu convergent vers
le centre du cercle des électrodes, ce qui conduit à une fusion plus
rapide des ferrailles situées entre ces mêmes électrodes. La voûte
de la cuve se trouve alors plus rapidement exposée au rayonnement
des arcs. Une attention toute particulière doit donc être portée sur le
refroidissement de la voûte pour éviter tout risque de perçage.
■ Aujourd’hui, le système mono-électrode, alimenté par un ou
plusieurs redresseurs en parallèle ou en série, équipe la grande
majorité des fours à courant continu. Les convertisseurs utilisés
dans ces alimentations sont des redresseurs hexaphasés ou dodécaphasés à thyristors.
Le circuit électrique ne se ferme pas dans le métal comme c’est le
cas en courant alternatif triphasé, mais le retour du courant vers les
redresseurs est assuré par une ou plusieurs électrodes placées dans
la sole du four. Les constructeurs proposent alors différentes solutions techniques pour réaliser ce retour de courant :
— par une sole réfractaire conductrice refroidie à l’air ;
— par une anode constituée de feuillards d’acier incorporés dans
une sole réfractaire monolithique ;
— par une anode constituée de billettes rondes d’acier noyées
dans la sole et refroidies à leur partie inférieure par circulation
d’eau ;
— par une anode constituée d’un grand nombre de broches de
contact traversant la sole réfractaire.
Nota : le lecteur pourra, pour plus de détails sur la réalisation des électrodes de sole, se
reporter à la référence [5].
3.3 Description de la partie électrique
L’architecture d’alimentation électrique d’un four à arc à courant
continu est sensiblement la même que celle d’un four à arc à courant alternatif (§ 2.3). Toutefois, elle se distingue par la présence de
redresseurs entre le transformateur de four et les électrodes
(figure 10).
L’architecture la plus couramment répandue comprend :
— un transformateur abaisseur permettant de passer de la haute
tension à une moyenne tension intermédiaire ;
— un ou deux disjoncteurs de protection et/ou de manœuvre ;
— un transformateur de four, permettant de passer de la tension
intermédiaire à des basses tensions ;
— un redresseur ;
— un ensemble de câbles souples et un porte-électrodes ;
— un système de compensation d’énergie réactive comprenant
un filtrage antiharmonique ; la compensation d’énergie réactive
peut être obtenue soit par des batteries de condensateurs, soit par
un dispositif plus élaboré de compensation statique d’énergie réactive (cf. § 2.3.5).
Réseau haute tension
Transformateur
abaisseur
Disjoncteur
de manœuvre
et protection
Alors que l’arc en courant alternatif est dirigé vers les parois du
four avec un angle de 30 à 45°, l’arc en courant continu va de la
pointe de l’électrode vers le bain et tourne plusieurs fois par
seconde de façon aléatoire du fait des forces électromagnétiques.
D 5 920 − 8
Transformateur
de four
Redresseur
Transformateur
de four
Compensation de
l'énergie réactive
Four de fusion
Four poche
Figure 10 – Schéma électrique d’un four à arc à courant continu
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Disjoncteur
de manœuvre
et protection
Disjoncteur
de manœuvre
3.2 Principe de fonctionnement
■ Pour ce type de four, le fonctionnement de l’arc est plus stable
car il est alimenté en courant continu et n’est plus perturbé par les
passages par zéro de l’alternance de courant comme pour le four à
courant alternatif. Toutefois, la charge métallique perturbe toujours
le fonctionnement de l’arc par ses mouvements, par son hétérogénéité physique, par la présence d’éléments non métalliques. Cela se
traduit par des variations de courant dans l’arc pouvant aller jusqu’à
des courts-circuits ou des interruptions de fonctionnement.
Disjoncteur
de protection
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_________________________________________________________________________________________________________________________ FOURS À ARC
Les puissances mises en jeu dans les fours à arc étant relativement importantes, ils nécessitent donc des convertisseurs à courants élevés ; on utilise généralement la mise en parallèle de deux
ponts triphasés à thyristors, raccordés à un transformateur à doubles enroulements. Les enroulements secondaires de ce transformateur sont alors couplés en étoile et triangle de manière à obtenir
un redresseur dodécaphasé à indice de pulsation p = 12.
5
∆U (%) 4
U
3
2
1
0,8
0,6
Nota : pour plus de détails sur les convertisseurs, le lecteur se reportera à la référence
[6].
0,4
0,3
4. Perturbations produites
par les fours à arc
sur les réseaux
Nota : le lecteur pourra, pour plus de détails, se reporter à la référence [7].
0,2
0,1
0,1
Le flicker est la gêne pour les usagers provoquée par un papillotement de la lumière émise par les lampes. Il s’agit d’un phénomène
complexe, car il fait intervenir les caractéristiques :
— de l’ampoule (source de lumière) ;
— de l’œil (capteur) ;
— du cerveau (interprète).
En outre, la sensibilité au taux de flicker dépend de l’observateur.
Sans entrer dans le détail, ce papillotement est dû à des variations
rapides de tension, à une fréquence comprise entre 1 et 25 Hz environ. Elles sont généralement provoquées par l’exploitation des
fours ou soudeuses à arcs.
Le flicker a fait l’objet d’études durant de nombreuses années,
principalement de la part de l’U.I.E. (Union Internationale d’Électrothermie), qui ont débouché sur la spécification n° 1000-4-15 de la
CEI (Commission Électrotechnique Internationale). Ce document
donne les spécifications d’un appareil, le flickermètre, destiné à
indiquer le taux de flicker présent à l’endroit de la mesure. Il est ainsi
possible de procéder à des mesures comparatives sur les causes et
les effets du flicker.
Le flickermètre donne les résultats de mesure « PST (Probability
Short Term) » pour chaque intervalle de 10 minutes et « PLT (Probability Long Term) » pour un intervalle de 2 heures. Ces mesures sont
obtenues à l’aide d’une méthode statistique d’analyse de la durée
pendant laquelle un niveau donné est atteint.
Des essais ont permis de déterminer la valeur 1 du flicker
(figure 11). Elle correspond, à une fréquence donnée, à l’écart de
tension ∆U provoquant une variation de l’éclairage, fourni par des
lampes à incandescence de 60 W, remarquée par 50 % des observateurs. Elle est considérée comme étant la limite de perceptibilité.
En réalité, les variations de tension ont une répartition et une
valeur aléatoires. Le taux instantané de flicker n’est donc pas une
valeur intéressante et, pour être significative, une mesure de flicker
doit s’étendre sur une certaine durée et les résultats sont obtenus
par une méthode statistique de traitement. La durée d’observation
totale doit être d’au moins une semaine.
■ Les fours à arc étant toujours raccordés sur les réseaux MT et HT,
on ne peut pas directement définir un niveau de compatibilité étant
donné qu’il n’y a jamais de lampes qui soient raccordées à ces
niveaux de tension. Cependant, l’U.I.E. [8] a établi des niveaux
conventionnels de référence à des fins de coordination
(tableau 1).
5 10
50 100
500 1 000
Nombre de variations par minute
Figure 11 – Valeurs de D U/U pour PST = 1
4.1 Flicker ou papillotement de l’éclairage
4.1.1 Caractérisation du phénomène de flicker
et limites admissibles sur les réseaux
0,5 1
Tableau 1 – Valeurs indicatives U.I.E.
pour les niveaux limites de flicker
Critère
BT
MT
HT
PST
1,00
1,00
0,79
PLT
0,74
0,74
0,58
En effectuant des mesures in situ à l’aide de flickermètres conformes à la norme, on s’aperçoit alors que des valeurs élevées mais
rares de PST ne sont pas vraiment gênantes pour la qualité de la tension et que la valeur de PST 99 %, c’est-à-dire la valeur ayant une probabilité de 1 % d’être dépassée sur une période significative, est un
meilleur critère que le maximum PST max.
Ainsi, sur une base quotidienne, avec 144 valeurs, cela signifie
que la deuxième ou la troisième valeur PST la plus élevée (PST 2max
ou PST 3max) est la plus significative. D’un point de vue statistique, il
est plus significatif de considérer la valeur PST 99 % sur toute la durée
de l’observation.
Toutefois, des études sont toujours en cours à l’U.I.E. pour affiner
davantage les critères d’évaluation du flicker et définir les limites
admissibles (projet de norme CEI 1000-3-7). Ces études portent
notamment sur d’autres critères d’évaluation comme le PST 95 % et
le PLT 95 %.
Ces études [8] ont aussi montré qu’il existe des corrélations entre
ces différents critères, à savoir :
PST 99 % = 1,25 PST 95 %
PLT 99 % = 1,13 PLT 95 %
PLT 95 % = 0,80 PST 95 %
Les niveaux limites actuellement préconisés pour le flicker engendré par chaque utilisateur pris isolement, en son point de raccordement au réseau, sont :
PST 95 % = 1
PLT 95 % = 0,80
Localement, ces niveaux peuvent être modulés selon la structure
du réseau d’alimentation et de son évolution future, du tissu urbain,
des infrastructures industrielles etc.
En effet, l’analyse de la propagation de ce phénomène sur les
réseaux environnants montre que :
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FOURS À ARC
_________________________________________________________________________________________________________________________
— le flicker se transmet sur les réseaux de tension supérieure en
s’atténuant dans le rapport inverse des puissances de court-circuit ;
— le flicker se transmet sur les réseaux de tension inférieure avec
une amplitude pratiquement équivalente.
■ A titre indicatif, les coefficients
d’environ :
de
propagation sont
KTHT/HTB = 0,8 pour un poste THT/HTB,
Four à courant
alternatif avec réactance
KHTA/BT = 1 pour un poste HTA/BT.
Par exemple, pour un PST de 1,4 sur un réseau de 225 kV, la valeur
du PST résultant au niveau BT sera voisine de :
P ST BT ≈ P ST THT ⋅ K THT/ HTB ⋅ K HTB/ HTA ⋅ K HTA/ BT
P ST BT ≈ 1, 4 × 0, 8 × 0, 9 × 1 ≈ 1
La figure 12 donne, pour illustrer, des niveaux de flicker sur le
réseau haute tension, pour différents types de fours à arc [9].
Comme la puissance de court-circuit du réseau agit directement sur
le niveau de flicker, pour être comparatives, ces mesures de flicker
sont alors ramenées à une même puissance de court-circuit.
La figure 12 montre que :
— le niveau de flicker le plus bas est obtenu par le four à courant
continu tri-électrodes ;
— le four à courant continu mono-électrode produit un niveau
moyen, qui atteint la limite préconisée ;
— le niveau de flicker le plus élevé est produit par les fours à courant alternatif (avec ou sans réactance série) ; ce niveau dépasse très
largement le niveau préconisé actuellement.
Ces mesures confortent celles faites par ailleurs par d’autres organismes [10], [11] et montrent bien que le niveau du flicker dépend
non seulement du type de four utilisé mais aussi de la puissance de
court-circuit du réseau sur lequel le four est raccordé.
■ La prédétermination du niveau de flicker d’un four à arc
est toujours délicate. En effet, elle dépend non seulement des caractéristiques électriques de l’alimentation, mais aussi de la nature des
ferrailles, de leur préchauffage éventuel, de la conduite et de la
régulation du four, de la conception mécanique du four etc. Aussi, il
n’existe pas actuellement de règle précise et fiable de prédétermination du flicker pour les fours à arc. Le raccordement d’un four à arc
demande donc une étude dans chaque cas particulier.
Toutefois, sur la base d’un certain nombre d’expérimentations
menées sur des fours en service, il a été établi une relation qui détermine le niveau de flicker au point commun de couplage (Pcc) en
fonction des puissances de court-circuit du réseau et du four et d’un
coefficient caractéristique du four étudié [8]. Cette relation est la
suivante :
0
0,2 0,4 0,6 0,8
1
1,2 1,4 1,6
Niveau de flicker (PST 95%) ramené à une puissance
de court-circuit de 4 GVA
Figure 12 – Niveau de flicker des fours à courants alternatifs
et continus
4.1.2 Techniques de compensation du flicker
4.1.2.1 Généralités
Pour atténuer les perturbations de type flicker, il est en général
très difficile d’agir sur le spectre de fréquences des variations de
tension produites. Mais, par contre, on peut réduire leur amplitude
par des procédés permettant soit d’augmenter la puissance de
court-circuit du réseau, soit de diminuer les appels de puissance
réactive absorbée par la charge, soit de stabiliser les arcs électriques
du four.
Deux principes peuvent alors être appliqués :
— compenser les perturbations produites par le four ;
— réduire les perturbations par une amélioration du comportement dynamique du four.
Lorsque l’on place, par exemple, un compensateur statique en
parallèle avec le four, on agit sur la perturbation après qu’elle a été
créée. Ce système appartient à la première catégorie. En revanche,
la seconde catégorie consiste à installer une réactance en série avec
le four pour éviter l’apparition de la perturbation en agissant directement sur la stabilité des arcs.
Pour réduire les perturbations de type flicker produites par les
fours à arc, différentes solutions techniques existent et peuvent être
appliquées soit aux fours à courant alternatif, soit aux fours à courant continu, soit aux deux types de fours (tableau 2).
(1)
Scc f
puissance de court-circuit du four à arc vue du Pcc,
Scc n
puissance de court-circuit du réseau vue du Pcc,
KST
coefficient caractéristique variable entre 48 et 85.
Le problème de la relation (1) réside dans la détermination du
coefficient KST. En effet, ce coefficient est variable d’un four à
l’autre, notamment en fonction des ferrailles utilisées, du préchauffage, de la conduite et de la régulation du four, enfin de tout un
ensemble de caractéristiques non électriques du four. Par conséquent, lorsque l’on souhaite estimer le niveau de flicker dans le
cadre d’un projet de nouveau four à arc par exemple, on peut choisir, comme paramètre KST, le même que celui d’un four similaire
actuellement en service. Ce coefficient est alors obtenu par les
mesures de flicker et par la connaissance des puissances de courtcircuit du réseau et du four.
avec
D 5 920 − 10
Four à courant
continu 3 électrodes
Four à courant
alternatif sans réactance
KHTB/HTA = 0,9 pour un poste HTB/HTA,
S cc f
P ST 99 % = K ST -----------S cc n
Four à courant
continu 1 électrode
Tableau 2 – Application des différentes techniques
de compensation du flicker
Four
à courant
alternatif
Four
à courant
continu
Augmentation de la puissance
de court-circuit du réseau
✓
✓
Réactances linéaires ou saturables
✓
Compensateur statique d’énergie
réactive shunt
✓
Techniques de compensation
du flicker
Nouvelle architecture d’alimentation
pour fours à courant continu
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✓
✓
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_________________________________________________________________________________________________________________________ FOURS À ARC
4.1.2.2 Augmentation de la puissance de court-circuit
du réseau
D’après la relation (1), le niveau de flicker est proportionnel au
S cc f
rapport ------------ de la puissance de court-circuit du four à celle du
S cc n
réseau.
Le moyen le plus direct de réduire les perturbations est donc, lorsque cela est possible, de raccorder le four en un point du réseau présentant une puissance de court-circuit supérieure. Dans ce cas,
l’amplitude des fluctuations de tension est divisée par le rapport :
4.1.2.4 Compensateur statique de puissance réactive
Selon certaines publications [8], le facteur de réduction Rcomp,
d’un compensateur statique, défini par :
P ST 99 % sans compensateur
R comp = ----------------------------------------------------------------------------P ST 99 % avec compensateur
Cette opération peut être obtenue par :
— le tirage d’une ligne complémentaire ou le raccordement sur
un réseau de puissance de court-circuit supérieure ;
— l’élévation de la tension, lorsque cela est possible ;
— l’augmentation de la puissance de court-circuit, en installant
un générateur supplémentaire ou un compensateur synchrone.
Ces solutions, obligeant à modifier de manière définitive la configuration du réseau, ne sont pas applicables instantanément. Elles
sont souvent liées à des considérations ne dépendant pas de la
source perturbatrice.
4.1.2.3 Réactances linéaires ou saturables pour fours
à courant alternatif
■ Les réactances linéaires
Pour réduire le niveau de flicker, on peut, soit augmenter la puissance de court-circuit Scc n du réseau (§ 4.1.2.2), soit diminuer la
puissance de court-circuit Scc f du four.
Diminuer la puissance de court-circuit du four revient à augmenter la réactance du réseau d’alimentation du four. En effet, en considérant une même référence de tension, on peut aussi écrire la
relation (1) sous la forme :
(2)
Xcc n
réactance de court-circuit du réseau vue du Pcc,
Xcc f
réactance de court-circuit du four vue du Pcc.
Par conséquent, pour augmenter cette réactance totale, une solution consiste à insérer une réactance additionnelle en série avec
l’alimentation du four.
Dans ce cas, le rapport de réduction escompté peut être déduit de
la relation (2).
Dans la pratique, le niveau de réduction de flicker dû à une réactance additionnelle est de l’ordre de 10 à 20 %. Bien entendu, du
point de vue théorique, en augmentant suffisamment la réactance
totale de l’alimentation du four, on devrait pouvoir réduire cette perturbation de façon plus importante. Mais, il ne faut pas oublier qu’en
augmentant cette réactance, on augmente aussi la chute de tension
induite et, par conséquent, la puissance disponible dans le four s’en
trouve réduite.
En fait, le dimensionnement de la réactance série est un compromis entre les perturbations générées et la productivité du four.
avec
■ Les réactances saturables
Dans le cas des réactances saturables, le niveau de réduction de
flicker est variable en fonction du niveau de saturation induit par la
commande en courant continu. Sur les installations en service
actuellement, le niveau de réduction maximal atteint 50 %.
Mais la remarque précédente pour la réactance linéaire s’applique
aussi à la réactance saturable. En effet, en réduisant le niveau de flicker par limitation du courant, la tension d’arc est plus faible et les
S svc
R comp = 1 + 0, 75 ----------Sf
avec
Ssvc
puissance du compensateur,
Sf
puissance du four.
(4)
Cette règle de dimensionnement des compensateurs repose en
fait sur un nombre limité d’expérimentations. En effet, des mesures
de flicker ont été effectuées sur des fours équipés de compensateurs
statiques et une droite de régression a été tracée entre les différents
points de mesure. Cette méthode ne tient pas compte des particularités éventuelles des différents compensateurs (type de régulation,
constructeurs etc.), ni des caractéristiques précises des différents
composants de l’alimentation (longueur des lignes ou des câbles,
tension de court-circuit des transformateurs, etc.). Par conséquent, il
ne s’agit là que d’une estimation du dimensionnement d’un
compensateur.
En fait, le dimensionnement correct d’un compensateur statique
est toujours très délicat. Ce dimensionnement dépend non seulement de l’architecture de l’alimentation et de son fonctionnement
(puissance de court-circuit du réseau, puissance du four, présence
de réactances...), mais également de la charge du four (nature et
préparation des ferrailles, régulation du four, conception mécanique...).
4.1.2.5 Nouvelle architecture d’alimentation pour fours
à courant continu
Le lecteur pourra, pour plus de détails, se reporter à la
référence [12].
La commande des fours à arcs à courant continu comme la
compensation d’énergie réactive et du flicker comprennent de
l’électronique de puissance. L’idée est donc venue de réunir ces
deux éléments en un seul. Ainsi, les thyristors alimentent le four et
contrôlent en même temps le courant réactif passant dans les inductances (figure 13).
Dans le fonctionnement du pont de Graëtz classique, les courants
alternatif et continu restent toujours proportionnels quels que
soient la charge et l’angle d’allumage; le pont de Graëtz est conservatif en courant. Le courant continu et la puissance active étant donnés, cette proportionnalité peut toutefois être rompue par
diminution du courant alternatif et de la puissance réactive. Cette
diminution peut s’opérer soit au niveau du pont, au sein duquel on
crée des fonctionnements en roue libre durant certaines parties de
la période (par adjonction de diodes de roue libre en sortie des
ponts redresseurs), soit plus en amont, par addition de courants
alternatifs issus de plusieurs ponts commandés différemment; on
parle alors de décalage.
Bien entendu, les deux techniques, roue libre et décalage, peuvent être cumulées [13]. De plus, le gain de puissance réactive
obtenu par la combinaison de ces deux techniques est supérieur à la
simple addition des gains de chacune prise isolement. Du point de
vue des harmoniques, ce système produit des harmoniques de
rangs multiples de 3 qui peuvent être aisément éliminés par un couplage triangle au primaire des transformateurs. Les harmoniques
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(3)
peut être estimé par la formule suivante (pour la plage usuelle de
Ssvc/Sf < 2) :
S cc après augmentation
K = ------------------------------------------------------------------S cc avant augmentation
X cc n
P ST 99 % = K ST ------------X cc f
arcs plus courts. Le revers de la médaille est que, dans ce cas, la
puissance transmise à la ferraille est aussi réduite et, pour une
même capacité de cuve, le temps de fusion est plus long.
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FOURS À ARC
_________________________________________________________________________________________________________________________
Transformateur
de four
Transformateur
de four
Four
à arc
Figure 13 – Redresseur avec diodes
de roue libre et commande décalée
caractéristiques subsistant, de rangs 6 k ± 1 , sont toutefois plus faibles que ceux d’un pont de Graëtz classique.
Par rapport au pont de Graëtz classique, ce redresseur réduit donc
dans de fortes proportions les perturbations à basse fréquence :
harmoniques, énergie réactive et surtout variations de tension et
flicker. Il n’utilise pourtant que des diodes et des thyristors en
commutation naturelle et ne craint pas les creux de tension du
réseau. Son fonctionnement non réversible convient parfaitement à
l’application « four à arc », où il permet de se passer de régleur de
transformateur et de compensateur statique d’énergie réactive. Le
rendement est par ailleurs augmenté et des perspectives d’amélioration de productivité s’ouvrent, avec l’aptitude à délivrer un courant continu variable.
Les simulations et les expérimentations effectuées sur un four
réel confirment pleinement les principes de fonctionnement du
schéma et la richesse des stratégies de commandes possibles.
4.2 Harmoniques
4.2.1 Caractérisation des harmoniques
et limites admissibles sur les réseaux
4.2.1.1 Four à courant alternatif
On peut rappeler qu’un four à arc à courant alternatif peut être
considéré comme une source de courants harmoniques et interharmoniques. Le spectre de ce courant comprend :
— d’une part, un spectre de raies dû à la non-linéarité et à la dissymétrie de la caractéristique des arcs électriques du four ;
— d’autre part, un spectre continu dû à l’instabilité de ces mêmes
arcs électriques.
D’une manière générale, les rangs impairs des courants harmoniques sont prépondérants dans ce type d’alimentation.
4.2.1.2 Four à courant continu
Le four à courant continu étant alimenté par des systèmes à base
d’électronique de puissance, les perturbations sont générées en
grande partie par les convertisseurs à thyristors.
■ Par exemple, pour les redresseurs à base de thyristors, les rangs
des courants harmoniques prépondérants, dits caractéristiques,
s’expriment par la relation :
N = k p±1
( k = 1… h )
h:
rang harmonique,
p:
indice de pulsation du convertisseur,
p=6
pour un redresseur hexaphasé,
p = 12
pour un redresseur dodécaphasé.
Dans ce cas, l’intensité Ih exprimée en valeur relative par rapport
au courant fondamental absorbé s’exprime, en première approximation, par la relation :
Ih = 1 ⁄ h
Toutefois, la loi théorique Ih = 1/h concerne les commutations instantanées, donc les formes d’onde de courant de type rectangulaire.
En pratique, la durée non nulle des commutations aboutit à des
formes d’ondes de type trapézoïdal et à des composantes harmoniques différentes des valeurs théoriques. De plus, les irrégularités de
fonctionnement des ponts, consécutives aux imprécisions des
angles de retard et aux déséquilibres de tension d’alimentation,
peuvent aussi aboutir à l’apparition de courants à des fréquences
non caractéristiques.
■ Par conséquent, lorsque, à certaines fréquences harmoniques,
l’impédance du réseau est élevée et que des injections de courants
harmoniques surviennent aux fréquences correspondantes, il en
résulte, en appliquant la loi d’Ohm, des tensions harmoniques
importantes.
Les conséquences sont alors multiples :
● On peut estimer qu’il y a risque de surcharger les condensateurs en raison des surintensités les traversant et, en particulier, aux
hautes fréquences.
● Une tension harmonique élevée aux bornes d’une installation
peut faire apparaître des dysfonctionnements d’appareils possédant
une électronique sensible, ainsi que des échauffements dans les
enroulements des moteurs et des transformateurs.
● L’apparition de tensions harmoniques aura d’autre part pour
effet de générer des courants harmoniques sur les réseaux et dans
les installations des autres clients.
La grandeur reconnue comme principale caractéristique de l’effet
nocif des distorsions harmoniques est la valeur des tensions harmoniques superposées à la tension normale des réseaux auxquelles les
équipements se trouvent soumis.
Le tableau 3 donne les niveaux de compatibilité électromagnétique sur le réseau de transport HT et THT. Ils sont exprimés en pourcent de la tension fondamentale à 50 Hz et désignent les taux d’harmoniques sur les réseaux HT et THT en situation normale et dont la
probabilité d’être dépassée est estimée à 5 %. Ces valeurs sont
extraites de la norme CEI 1000-3-6 qui fixe la limitation de l’émission
de courants harmoniques pour les équipements raccordés aux
réseaux moyenne et haute tensions ; cette norme recommande
aussi d’appliquer la norme CEI 1000-4-7 pour la mesure des harmoniques et interharmoniques.
■ Bien que des études soient toujours en cours, en France, on préconise actuellement les valeurs limites suivantes pour les perturbations harmoniques de courant engendrées par chaque utilisateur pris isolement, en son point de raccordement au réseau :
avec
D 5 920 − 12
Kn Ps
I ( h ) < ----------------Uc 3
h
est le rang harmonique,
Uc
est la valeur de tension contractuelle,
Ps
est la puissance souscrite.
Les valeurs du facteur Kn sont indiquées dans le tableau 4.
où
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Tableau 3 – Niveaux de compatibilité des réseaux
Harmoniques impairs non multiples de 3
Rang harmonique
Harmoniques impairs multiples de 3
Tension harmonique
Rang harmonique
(%)
Tension harmonique
Harmoniques pairs
Rang harmonique
Tension harmonique
(%)
(%)
5
2
3
2
2
1,5
7
2
9
1
4
1
11
1,5
15
0,3
6
0,5
13
1,5
21
0,2
8
0,2
17
1
> 21
0,2
10
0,2
19
1
23
0,7
25
0,7
> 25
0,2 + 2,5h
12
0,2
> 12
0,2
Taux global de distorsion inférieur ou égal à 3 %
rant continu. Ces histogrammes correspondent à la valeur
moyenne, sur une coulée, des courants harmoniques mesurés en
MT [9].
Tableau 4 – Facteur Kn pour les harmoniques
de rangs inférieurs à 40
Kn
Rangs impairs
Rangs pairs
(%)
(%)
3
4
2
2
5 et 7
5
4
1
9
2
> 6 et < 40
0,5
11 et 13
3
> 15 et < 40
● Les mesures montrent que, pour un four à courant alternatif,
les harmoniques prépondérants sont les harmoniques de rang
impair (harmoniques dus à la non-linéarité de la caractéristique de
l’arc). Ces mesures mettent aussi en évidence quelques harmoniques de rang pair (essentiellement de rangs 2, 4 et 6) dus à la dissymétrie de la caractéristique de l’arc.
Kn
2
Taux de distorsion global de courant inférieur ou égal à 8 %
Courants harmoniques (% du fondamental)
A titre indicatif, la figure 14 présente les histogrammes des courants harmoniques pour les fours à arc à courant alternatif et à cou-
3,5
● Les mesures faites sur les fours à courant continu mettent aussi
en évidence un certain nombre de phénomènes :
— les ponts redresseurs des alimentations étant du type dodécaphasé, on retrouve les harmoniques caractéristiques des rangs 1113 et 23-25, ce qui est parfaitement prévisible ;
— l’analyse des résultats met aussi en évidence un certain nombre d’harmoniques non caractéristiques, d’amplitude non négligeable, notamment dans le domaine des basses fréquences (rangs
harmoniques de 2 à 10).
Four à courant continu
Four à courant alternatif
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
Rangs harmoniques
Figure 14 – Histogramme
des courants harmoniques
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4.2.2 Techniques de réduction des harmoniques
4.2.2.1 Généralités
On peut rappeler que les condensateurs et les filtres d’harmoniques sont souvent associés aux fours à arc et aux redresseurs de
puissance. L’utilisation de condensateurs procure des avantages
financiers pour la tarification de l’énergie réactive et l’utilisation de
filtres d’harmoniques freine la croissance de la distorsion harmonique de l’onde de tension, tant dans le réseau interne de l’usine que
dans le réseau du distributeur d’énergie.
Toutefois, les condensateurs sont sensibles aux surcharges en
tension, en courant et aux harmoniques. Leur dimensionnement,
notamment en tension fondamentale, doit en tenir compte. En effet,
la mise en parallèle d’une batterie de condensateurs avec un réseau
industriel fait apparaître une résonance dont la fréquence est fonction à la fois de l’impédance du réseau (ou de la puissance de courtcircuit) et de la puissance de la batterie de condensateurs.
Des fréquences de résonance élevées sont souhaitables dans la
mesure où, à ces fréquences, les courants harmoniques injectés
sont d’amplitudes plus faibles.
Pour parvenir à un tel résultat, la puissance des condensateurs
raccordés sur un jeu de barres où sont connectés des équipements
générateurs de courants harmoniques ne doit pas être trop importante vis-à-vis de la puissance de court-circuit au point de raccordement des condensateurs.
On peut rappeler que la fréquence de résonance f0 est calculée en
fonction de la puissance de court-circuit du réseau Scc et de la puissance des condensateurs Q par la relation :
f 0 = 50
S cc
-------Q
(6)
Pour faire face aux perturbations de type harmonique produites
par les fours à arc, différentes solutions techniques existent et peuvent être appliquées soit aux fours à courant alternatif, soit aux
fours à courant continu, soit aux deux types de fours (tableau 5).
Tableau 5 – Application des différentes techniques
de compensation des harmoniques
Four à
courant
alternatif
Four
à courant
continu
Augmentation de la puissance
de court-circuit du réseau
✓
✓
Filtrage antiharmonique
✓
✓
Techniques de compensation
des harmoniques
Redresseurs à indice de pulsation élevé
✓
4.2.2.3 Filtrage des harmoniques
Le filtrage antiharmonique passif s’applique aussi bien aux fours
à courant alternatif qu’aux fours à courant continu et permet
d’abaisser localement l’impédance du réseau, de manière à courtcircuiter les courants harmoniques et à les réduire, voire les éliminer.
Cette faible impédance est obtenue en associant des éléments
capacitifs C et inductifs L, de manière à obtenir une résonance série
accordée sur le ou les rangs harmoniques qui doivent être éliminés.
Une connaissance précise des rangs harmoniques devant être filtrés et des atténuations requises est donc nécessaire à la réalisation
d’un filtre. Une telle étude est généralement menée à l’aide de logiciels de simulation.
De plus, il convient de ne pas négliger les interharmoniques qui
peuvent parfois présenter une amplitude supérieure aux harmoniques caractéristiques. En particulier, les signaux de télécommande
des ouvrages EDF sont émis à des fréquences de 175 et 188 Hz.
Enfin, l’électronique de puissance, de plus en plus présente dans les
installations industrielles, est souvent pilotée par une boucle d’automatisme. On demande à ces régulations d’être toujours plus rapides
et on augmente donc les fréquences. Des courants interharmoniques sont ainsi créés par les convertisseurs de fours à courant
continu ou par les valves à thyristors des compensateurs statiques.
Tout le problème du filtrage réside dans le fait que si le filtre présente une impédance nulle et donc court-circuite les courants harmoniques à sa fréquence d’accord, il peut entrer en résonance avec
le réseau à une autre fréquence. L’impédance du circuit vue du jeu
de barres auquel est relié le réseau devient alors théoriquement infinie avec les conséquences d’amplification que cela comporte.
Le problème majeur résulte de l’antirésonance, ou résonance
parallèle, produite par l’ensemble de la batterie et du réseau amont,
ce dernier étant le plus souvent inductif. A cette fréquence d’antirésonance, inférieure à la fréquence d’accord de la batterie, il y a
amplification au lieu de filtrage. L’adjonction d’une résistance R en
série dans la batterie amortit cette résonance, mais crée des pertes.
De plus, il existe autant de résonances parallèles que de branches
de filtres. Tout l’art consiste à éviter ces amplifications néfastes, en
particulier en les situant à des valeurs d’harmoniques non entières,
en jouant sur les valeurs de L et C, c’est-à-dire sur la puissance de
compensation et sur l’accord, en sachant que l’inductance du réseau
amont est imposée et variable en fonction du maillage du réseau.
En fait, la compensation et le filtrage constituent, dans le domaine
des réseaux industriels, une spécialité d’importance croissante du
fait du développement rapide des systèmes à base d’électronique
de puissance et, en même temps, délicate à maîtriser pour des
motifs techniques et économiques. Pour chaque cas d’alimentation,
il convient d’analyser correctement, en respectant les règles de l’art,
les différents aspects du problème avant de choisir une solution
dont la pertinence dépend de l’expérience et de la sagacité du
concepteur.
Les principales architectures de filtres antiharmoniques utilisées
dans les alimentations de four à arc sont rassemblées figure 15.
4.2.2.2 Augmentation de la puissance de court-circuit
du réseau
La relation (6) montre que la fréquence de résonance f0 dépend
directement du rapport de la puissance de court-circuit du four à la
puissance de la batterie de condensateurs. En effet, en l’absence de
tout phénomène particulier de résonance, il apparaît souvent que la
perturbation harmonique globale croît lorsque la puissance de
court-circuit diminue. Cela peut s’expliquer intuitivement : quand la
puissance de court-circuit du réseau diminue, l’impédance de celuici augmente à tous les rangs. La distorsion harmonique en fait donc
de même, à courants harmoniques injectés supposés constants.
Le moyen le plus direct de déplacer cette fréquence de résonance
dans une zone moins dangereuse est donc, lorsque cela est possible, de raccorder le four en un point du réseau présentant une puissance de court-circuit supérieure.
D 5 920 − 14
L
R1
L
R
L
R
R
C
Filtre
résonnant
C'
C
Filtre
amorti
d'ordre 2
C
Filtre
amorti
d'ordre 3
C2
Laux
L1
R2
C1
Filtre
auto-amorti
Figure 15 – Différentes architectures de filtres antiharmoniques
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Filtres résonnants
Les filtres résonnants sont utilisés avec un facteur de qualité
important (supérieur à 50) et sont nécessaires lorsque le besoin de
filtrage est important.
Ces filtres ont le désagrément d’être sensibles aux variations de
l’inductance ou du condensateur, ce qui provoque un désaccord de
l’ensemble. Cela est d’autant plus vrai que la batterie de condensateurs a une faible valeur.
Afin de régler l’accord du filtre de façon assez fine, l’inductance
devra être construite avec des prises de réglage.
Filtres amortis
Les filtres amortis sont plus insensibles aux paramètres d’accord.
Par contre, la résistance d’amortissement influe sur la valeur de la
fréquence d’accord. On distingue alors les filtres amortis d’ordre 2
des filtres d’ordre 3. Les premiers ne comportent qu’un élément
capacitif par phase alors que les seconds en comportent deux.
Le filtre amorti d’ordre 2 est aussi appelé « passe-haut », car il est
généralement utilisé pour filtrer simultanément les plus hautes fréquences du spectre, et non une fréquence particulière.
De plus, parmi les filtres amortis d’ordre 3, il existe une variante
que l’on appelle filtres auto-amortis. Sur ces filtres, un circuit
d’amortissement secondaire vient compléter les inductances principales. Ce circuit secondaire est constitué d’un enroulement auxiliaire Laux, faiblement couplé à l’enroulement principal d’inductance
L1, et d’un circuit R2L2C2 raccordé sur le secondaire ainsi réalisé. Ce
circuit auxiliaire R2L2C2 est choisi de préférence série, pour des raisons technologiques, mais un montage R2L2C2 parallèle est aussi
théoriquement possible.
Le circuit R2L2C2 auxiliaire est alors accordé au voisinage de la
résonance parallèle gênante. Le principe est donc simple : pour la
résonance parallèle, le circuit secondaire est équivalent à une résistance pure qui, ramenée au primaire, amortit le système. Pour les
autres fréquences, cette résistance est étouffée par les éléments
L2C2 auxiliaires, évitant ainsi de créer des pertes.
4.3 Exemples de fours à arc récents
avec systèmes de limitation
des perturbations
Selon le niveau des perturbations à compenser, une ou plusieurs
des solutions techniques exposées ci-avant peuvent être mises en
œuvre dans les alimentations de fours à arc. Quelques exemples de
fours récents équipés de systèmes de limitation des perturbations
sont donnés, à titre indicatif, en figure 16.
En fait, comme chaque four à arc présente des particularités (puissance et type de four, nature des ferrailles, caractéristiques du
réseau HT, etc.), les alimentations et les systèmes de limitation des
perturbations sont étudiés au cas par cas, ce qui conduit bien souvent à des architectures de réseaux d’alimentation très différentes
d’un four à l’autre.
5. Phénomènes transitoires
internes aux alimentations
de fours à arc
5.1 Surtensions
Les alimentations électriques de fours à arc sont le siège de surtensions plus ou moins importantes qui peuvent causer des dom-
mages importants à l’installation électrique et doivent, par
conséquent, faire l’objet d’une attention particulière. De plus, dans
certaines configurations particulièrement défavorables, ces surtensions peuvent se propager au sein du réseau de l’usine et causer des
dommages aux installations annexes.
■ Sur ces installations, on distingue les surtensions d’origine
interne et les surtensions d’origine externe.
● Les surtensions d’origine interne dépendent du réseau d’usine
et des composants qui le constituent. On peut citer en particulier :
— les surtensions de manœuvre des organes de coupure ;
— les surtensions liées à des phénomènes de ferrorésonance
provoqués par la présence de circuits magnétiques saturables ;
— les surtensions consécutives à des phénomènes de résonance
dus aux inductances et aux capacités du réseau d’alimentation ;
— les surtensions liées à des amorçages sur les circuits basse
tension (accumulation de poussières, présence d’eau...).
● Les surtensions d’origine externe comprennent essentiellement les surtensions atmosphériques liées aux chocs de foudre sur
les lignes.
■ Dans une alimentation de four à arc, le composant le plus critique
est le transformateur de four. En effet, la moindre avarie sur le
transformateur de four se solde par un arrêt plus ou moins long de
l’aciérie électrique, ce qui conduit à des pertes d’exploitation qui
peuvent être très importantes selon la durée de l’arrêt de production.
Par conséquent, lors de la conception du réseau d’usine, le transformateur de four doit faire l’objet d’une protection bien étudiée de
manière à être la plus efficace.
■ Parmi les différentes solutions techniques susceptibles d’être
mises en place pour faire face à ces phénomènes de surtensions,
celles que l’on rencontre le plus souvent sur les installations de
fours à arc sont :
— les parafoudres à oxyde de zinc ; le rôle de ces parafoudres est
d’écrêter les surtensions en écoulant l’énergie correspondante ; ces
éléments doivent être placés au plus près de l’élément à protéger et
munis de compteurs de décharge ;
— les circuits condensateurs-résistances ou circuits RC, qui permettent de limiter les phénomènes transitoires et d’amortir les résonances créées par des surtensions à front raide lors de la
manoeuvre des disjoncteurs.
■ D’une manière générale, lors de la conception d’une installation
de four à arc, il est recommandé d’évaluer les tensions maximales
permanentes et les surtensions susceptibles d’apparaître dans le
réseau d’alimentation. Cette évaluation peut être menée par exemple dans le cadre d’une étude de coordination de l’isolement
basée sur la norme CEI 60071. L’étude de coordination d’isolement
permet alors de :
— prévoir le niveau maximal des surtensions ;
— définir la tenue diélectrique des matériels ;
— dimensionner et choisir l’emplacement optimal du dispositif
de protection de manière à écouler la surtension à la terre sans
dommage et ne pas la transmettre avec des niveaux dangereux à
d’autres composants du réseau.
5.2 Instabilité liée à la résonance parallèle
On peut rappeler que les convertisseurs à thyristors produisent
des harmoniques impairs aux rangs caractéristiques 12 k ± 1 (k = 1,
2, 3...) pour des structures dodécaphasées. En réalité, des amplitudes non négligeables peuvent exister pour n’importe quel autre
rang d’harmonique, ou d’interharmonique, en particulier pour les
rangs correspondant aux résonances parallèles. Ces harmoniques
non caractéristiques peuvent exister de façon permanente, en raison des dissymétries, ou des phases transitoires, du fait des régimes variables.
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FOURS À ARC
_________________________________________________________________________________________________________________________
Réseau HT
Réseau HT
TA
TA
MT
MT
DM, DP
DP
DM, DP
DM, DP
DM, DP
DP
DM, DP
DM
=
DM
AB
RL
H4
RS
H4 H3 H2
FI
TF
TF
Four de fusion
FI
TF
Four poche
TF
Four de fusion
Four poche
Schémas d'alimentation de fours à courant alternatif
Réseau HT
Réseau HT
TA
TA
MT
MT
DM, DP
DP
DM, DP
DM, DP
DM, DP
DP
DM, DP
DM
DM
TF
TF
AB
H12 H4 H3
RD
FI
TF
TF
RD
H7 H5 H4 H3 H2
FI
Four de fusion
Four poche
Four de fusion
Four poche
Schémas d'alimentation de fours à courant continu
TA
TF
RD
FI
H2, H3, H4 …
AB
transformateur abaisseur
transformateur de four
redresseur
filtre antiharmonique
rangs harmoniques des filtres
absorbeur du compensateur statique
RL
RS
DP
DM
HT
MT
réactance linéaire
réactance saturable
disjoncteur de protection
disjoncteur de manœuvre
niveau haute tension (110 kV, 225 kV ou 400 kV)
niveau moyenne tension (de 10 à 70 kV)
Figure 16 – Exemples de fours à arc avec systèmes de limitation des perturbations
On peut observer, dans certaines configurations d’alimentation,
une augmentation brutale du courant à une fréquence correspondant à la résonance parallèle. En fait, ce phénomène résulte d’une
instabilité des boucles de régulation du convertisseur, en présence
de filtres antiharmoniques. Dans ce cas, une composante harmonique de tension provoque, à travers la régulation du convertisseur,
l’apparition d’un courant harmonique. Ce courant, circulant dans
l’impédance du réseau, augmente alors la tension harmonique du
D 5 920 − 16
réseau. Le phénomène s’accroche sur une fréquence qui peut
d’ailleurs être non harmonique et, en fonction des caractéristiques
des éléments de l’alimentation, il peut se produire un phénomène
d’emballement qui, bien souvent, conduit à la destruction des filtres
antiharmoniques.
Lorsqu’un tel phénomène est observé sur une installation, il
existe deux solutions pour y remédier:
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● La première consiste à modifier les paramètres des boucles de
régulation des convertisseurs. Cette opération est relativement simple à mettre en œuvre. Toutefois, il faut vérifier que, après modification de la pulsation de coupure de la boucle de régulation, le phénomène n’a pas été déplacé sur la fréquence d’un autre filtre antiharmonique.
● La seconde consiste à augmenter la résistance de la branche
RLC des filtres. Cette solution, plus complexe, présente l’avantage
d’éliminer de façon plus radicale ce phénomène. Toutefois, par
l’augmentation de la part résistive des filtres, elle conduit aussi à
accroître les pertes.
5.3 Enclenchement à vide
des transformateurs de four
Pour des raisons d’exploitation ou de sécurité, les enclenchements et déclenchements du transformateur de four sont très fréquents dans une aciérie électrique (de l’ordre de 100 à 150 enclenchements par jour). Ces manœuvres peuvent entraîner une fatigue
prématurée des composants de l’alimentation et, dans certains cas,
conduisent à des incidents. En effet, des efforts électrodynamiques
importants se produisent d’une part, lors de chaque court-circuit au
niveau des électrodes et, d’autre part, lors de chaque enclenche-
ment à vide du transformateur de four, les courants d’appel à la
mise sous tension peuvent alors atteindre plusieurs fois l’intensité
nominale du courant au primaire. Dans le cas du transformateur, ces
efforts répétés peuvent conduire à une usure des isolants par frottement et tassement des enroulements et ainsi diminuer notablement
sa tenue diélectrique. Le transformateur de four doit donc faire
l’objet d’une attention particulière dès la définition de son cahier des
charges puis lors de sa conception et de sa réalisation.
On peut aussi rappeler que la mise sous tension d’un transformateur produit des courants d’enclenchement asymétriques, très
riches en harmoniques notamment de rangs 2, 3, 4 et 5 dus à la saturation du circuit magnétique du transformateur [14].
Dans la majorité des cas, ces courants harmoniques ne créent pas
de problèmes dans les alimentations industrielles.
Toutefois, si l’impédance du réseau d’alimentation est fortement
résonnante sur l’une ou l’autre de ces fréquences, il peut en résulter
une excitation du système, créant une distorsion de la tension d’alimentation qui affecte le courant d’enclenchement, ce qui produit
davantage d’harmoniques et qui amplifie la distorsion de la tension
et ainsi de suite.
On s’aperçoit donc que, dans certaines configurations, il peut y
avoir une forte interaction entre l’alimentation et la magnétisation
du transformateur. Il peut en résulter un fort taux de distorsion de la
tension qui risque de contraindre très fortement les différents
composants de l’alimentation.
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Liste des mots clés
Arc
Amorçage § 1
Fusion § 1
Affinage § 1
Transformateur § 2.3.1
Réactance § 2.3
Condensateur § 2.3.5
Compensateur § 2.3.5
Flicker § 4.1
Papillotement § 4.1
Perceptibilité§ 4.1.1
Puissance § 4.1.2.2
Réactance§ 4.1.2
Roue § 4.1.2.5
Harmonique § 4.2
Compatibilité § 4.2.1.2
Résonance § 4.2.2
Antiharmonique § 4.2.2.3
Surtension § 5.1
Vide § 5.3
PST
Probability Short Term
§ 4.1.1
PLT
Probability Long Term
§ 4.1.1
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