Brevet FR2012423A1 — publié le 19700320

la présente invention concerne le réglage dè l'énergie électrique. Actuellement, la plupart des systèmes nécessitant une source d'alimentation à une fréquence moyenne, comme des fours .5 à induction, utilisent des machines rotatives. Dans ces systèmes, les phénomènes transitoires se produisant pendant la mise en marche ne présentent pas de difficulté. Cependant, pour diverses raisons, comprenant la diminution des pertes de puissance, il peut être souvent préférable d'utiliser des convertisseurs statiques. 10 Une difficulté que présente l'utilisation des convertisseurs statiques fonctionnant dans des circuits de charge ayant des caractéristiques anti-résonnantes, comme des fours à induction avec des condensateurs classiques de correction du facteur de puissance, montés en parallèle, réside dans le fait que, pendant la mise en 15 marche, avant que l'amplitude de la tension de charge ait atteint sa valeur de régime permanent, le courant prélevé sur la source d'alimentation peut augmenter jusqu'à une valeur anormalement élevée. Ultérieurement, par suite de cette "appel" initial de courant, l'amplitude de la tension de charge peut augmenter jus-20 qu'à une valeur anormalement élevée, avant qii'il s'établisse finalement un équilibre. Une saute de tension a habituellement le plus mauvais effet sur la rentabilité du fonctionnement du système. L'effet est le plus important si le système est conçu pour pouvoir commencer à fonctionner avec un amortissement anormalement faible 25 dans le circuit de charge, comme l'état de "bobine vide" dans un four à induction. Un processus permettant de faire face à la saute de tension consiste à réduire la tension de fonctionnement du système, soit provisoirement pendant la mise en marche, soit définitivement, de 30 façon que les caractéristiques de tension des composants ne soient, pas dépassées. Cependant, la première disposition implique un appareillage supportant une variation de la tension d'alimentation en charge, qui est coûteux, tandis que la seconde disposition implique une réduction de la puissance obtenue depuis certains des compo-35 sants.les plus coûteux du système. Dans la présente demande, l'expression "chauffage par induction" est utilisée pour couvrir le chauffage de billettes par in 69 23027 2012423 duction, la fusion par induction et tous les procédés analogues. Suivant la présente invention, on fournit un système de réglage de la source d'alimentation pour un chauffage par induction comprenant des convertisseurs statiques montés en parallèle, 5 qui sont en série avec une bobine d'arrêt commun© et une source • d'alimentation{ et un dispositif pour amorcer et couper successivement les convertisseurs statiques tour à tour? afin de maintenir un courant sensiblement constant à partir de le source d'alimentation,, système dans lequel la bobine d'arrêt .comporte un' . enrou-10 lement secondaire connecté dans un circuit qui comprend un dispositif d© commutation. Un circuit résistance-capacité peut êtra connecté sus bornes de la source d'alimentation. Lorsque le système de chauffage par induction comporte un condensateur de correction du facteur de 15 puissance monté en parallèle ayant une capacité effective aux convertiseours statiques, alore la valeur d® Xa réeiBtanc® du circuit résistance-capacité est du mêraé ordre que 1© rapport entre la tension ©n pleine charge et l'intensité ©n plein© e&arg© d© la source d 'alia@ntetion, ©t 1s valeur d© la capacité du circuit ré=» 20 sistanc© L'invention peut être utilisée dans des systèess présentant une source d8alimentation en courant continu (par exemple depuis 25 un redresseur alimenté par un© source de courant alternatif) ou dans des systèmes qui utilisent un courant alternatif dans leur ensemble„ par exemple, deb inverseurs/5fasfif \mIfy e tèa© qui utilise le courant alternatif dans son ensemble, uja© eouro® d8alimentation polyphasé© peut présenter un© bobine d'arrêt distinct© qui ©et 30 connecté© à chaque phase séparée de sorti© (les convertisseurs étant amorcés et coupés pour maintenir un courant §©asibX@s@nt constant à partir de la source d'alimentation eona© précédèrent) * chaque bobine d'arrêt séparé®* étant relié® à un enroulement g@con 55 ô© commutation. . L©er convertisseurs statiques peuvent être des thyratrons. COPY 69 23027 2012423 D'autres avantages et caractéristiques de l'invention réassortiront de la description qui va suivre, faite en regard des dessins annexés et donnant à titre explicatif^ mais nullement limitatif, plusieurs formes de réalisation d® l'invention. 5 Sur ces dessins : la figure 1 est un schéma de montage d'un système de réglage de la source d'alimentation pour un chauffage par induction ; la figure 2 est un graphique des formes d'ondes de tension et dfintensité apparaissant dans le circuit représenté sur la fi~ 10 gure 1, le graphique étant tracé en fonction du temps ; les figures 3 et 4 sont des graphiques (tracés en fonction du temps) de la tension et de l'intensité efficaces qui peuvent apparaître à la sortie du système de commande du chauffage par induction représenté sur la figure 1 ; 15 la figure 5 est un graphique tracé en fonction du temps de l'intensité qui peut apparaître à la sortie du système de commande du chauffage pnr induction représenté sur la figure 1 ; les figures 6 et 7 sont des schémas de montage de parties d'un circuit bouchon approprié pour le systèm© de commande du chauf-20 fage par induction représenté sur la figure 1 ; la figure 8 est un schéma de montage dEune partie du redresseur principal du système de commande du chauffage par induction représenté sur la figure 1 ; la figure 9 ©st un schéma de montage d'un circuit équivalent 25 à celui d© la figure 8 ; et la figure 10 ©st un schéma de montage d*une variante de la source d'alimentation. Sur la figure 1f un four de chauffage par induction 1 est alimenté depuis l'enroulement secondaire 3 d'un transformateur 5, 30 dont l'enroulement primaire 7 présente une prise centrale et est connecté entra les anodes de deux thyratrons 8 et 9° Les cathodes des thyratrons 8 et 9 sont mises à la terre. La prise centrale 11 de 1'enroulement 7 ©st connectée à une source de tension positive 13 par Ieintermédiaire d'une "bobine d'arrêt 15. Les grilles des 35 thyratrons 7 et 9 sont amorcées par un circuit d'amorçage 17:. Un condensateur 19 est connecté aux bornes de l'enroulement 3. Du point de vaa électrique-, le four 1 peut être considéré comme étant COPY une résistance 21 de valeur assez élevée, en parallèle avec une bobine dfinduction 23 de faible inductance. On va expliquer l'action du circuit, ©n se référant à la figure 2, qui est un graphique des formes dsondes de tension ap-5 paraissant dans le circuit représenté sur la figure, ledit graphique étant tracé en fonction du temps. En fonctionnement, l'enroulement 3 est parcouru par un courant alternatif (par un processus décrit ci-après). Le four 1 représente une charge présentant un facteur d© puissance extrêmement 10 faible et le condensateur 19 tire le courant déphasé pour le compenser. le circuit secondaire du transformateur 5 constitue ainsi w -, „ , , , fréquences un circuit accordé dont la fréquence se trouve cfeas ,1a gaxame aes/ acoustiques (1.000 à 3.000 périodes par seconde)» Pour alimenter le courant primaire 7 du transformateur 5 en 15 courant à cette fréquence, les thyratrons 8 et 9 sont amorcés par le circuit d'amorçage 17 pour devenir alternativement" conducteurs. Un thyratron peut être rendu conducteur lorsque la tension de son anode est supérieure à celle de sa cathode, en appliquant une impulsion de tension positive à sa grille cependant, il ne cesse 20 pas d'être conducteur tant que la tension à son anode ne tombe pas au-dessous de celle de sa cathode. En outre, un temps da faible durée, mais définie, est nécessaire pour l'éteindre complètement. La figure 2 représente une série de formes d'ondes tracées en fonction du temps, montrant le fonctionnement du système en ré« 25 gime permanente La tension V7 aux bornes de 1 * enroulement primaire du transformateur 7 est sinusoïdale sensiblement à la fréquence ds résonance du circuit" secondaire accordé du transformateur 5. Les deux périodes complètes de la tension sinusoïdale YJ sont représentées sur la figure 2. Cependant, grâce à lsaction de la bobine 30 d'arrêt 15, un courant constant est obtenu à partir de la source d!alimentation. Ce courant constant est partagé successivement entre les thyratrons. Les courants 18 et 19, passant à travers les thyratrons 8 et 9, respectivement, sont également représentés sur la figure 20 A cause de la nature sinusoïdale de la tension 35 aux bornes de Ie enroulement primaire 7 du transformateur 5, ©t du fait que, lorsqu*un thyratron est conducteur, sa tension anodiqu© ©st très voisin© de sa tension cathodique ©tp. par .conséquent, très COPY 69 23027 proche du potentiel de la terre (dans ce cas), les tensions ano-diques des thyratrons subissent des excursions positives pendant les demi-périodes alternées. Chaque thyratron est amorcé lorsque sa tension anodique diminue jusqu'à une valeur nulle. Le condensa-5 teur 19 est effectivement couplé entre les anodes des thyratrons par l'action du transformateur 5, qui doit être capable d'une bonne réaction aux hautes fréquences, si l'on veut obtenir une commuta-» tion rapide. Lorsque l'un des thyratrons est amorcé, sa tension anodique diminue rapidement jusqu'à une valeur voisine de zéro. 10 Par conséquent, à cause de l'action du condensateur 19» dont la tension régnant à ses bornes ne change que d'une façon relativement lente, principalement en fonction du couxar.it de grande intensité circulant à travers lui et la bobine d'induction 23? la tension anodique de l'autre thyratron devient provisoirement négative, en 15 l'éteignant. Les tensions anodiques VQ et Y9 dos thyratrons 8 et 9« respectivement» sont représentées sur la figure 2. Les figures 3 et 4 représentent des graphiques, en fonction du te Bips, de la tension et de l'intensité efficaces de sortie du convertisseur. La tension est représentée entrait plein et l'inten~ 20 sité en pointillé, D'une façon générale, la tension» avant de parvenir à un niveau constant, oscille en atteignant mie valeur maximale qui peut dépasser de quelque 60 $ la tension de fonctionnement. Ceci est représenté sur la figure 3. Si un© telle variation de tension est susceptible de se produire, alors la source d1alimentation 25 des enroulements du four doit être ramenée à une valeur inférieure, afin d'éviter un endommageaient. Evidemment, il serait plus souhaitable que la tension suive une forme d'onde, comme celle représentée en trait plein sur la figure 4. En outret l'intensité efficace fournie par le sj^stème est sujette à des variations nuisibles et 30 est susceptible d'être déphasée par rapport à la tension. (Elle peut être déphasée en avance de la tension jusqu'à presque 90°). Ce ne sont pas les crêtes de la forme d'onde de l'intensité efficace qui sont nuisibles, mais les creux, et pour une raison qui sera expliqués en se référant à la figure 5. 35 La figure 5 ©st un graphique „ tracé en fonction du te cap s , de l'intensité transmise par le thyratron au cours de trois périodes successives. L'intensité théorique transmise est représentée r • * r COPY 69 23027 -6- 2012423 en pointillé dans chaque cas. L'intensité réelle transmise augmente rapidement jusqu'à un maximum et oscille ensuite avec un degré élevé d'affaiblissement pour reprendre sa valeur correcte. Le niveau autour duquel l'intensité oscille correspond à sa valeur 5 finale proportionnelle à ^EFFICACE' 111813 l'amplitude de l'oscillation est proportionnelle à la tension efficace transmise par le système. Par conséquent, si ^EFFICACE es_fc faible, il est très probable que les oscillations de l'intensité coupent l'axe t, en provoquant l'extinction du thyratron. Par conséquent, il est très sou-10 haitable que, pendant la période de mise en marche, la tension efficace soit maintenue à un faible niveau aussi voisin que possible de la tension finale et que le rapport EEITICACE/IEITICACE soit maintenu aussi faible que possible, jusqu'à ce qu'il atteigne sa valeur finale (moment auquel la tension efficace atteint également 15 sa valair finale). Ceci est représenté sur la figure 4. La figure 6 représente un schéma de montage de la bobine d'arrêt 15 qui peut permettre d'atteindre ce but. La bobine d'arrêt 15 comporte un enroulement primaire 71 et un enroulement secondaire 73. Un circuit 75 est connecté aux bornes de l'enroulement 20 secondaire 73. Grâce à ce montage, l'inductance effective de la bobine 15 peut être fortement réduite pendant la période de mise en marche, en produisant l'effet voulu. La figure 7 représente quatre schémas de montage montrant des circuits secondaires éventuels 75 pour la bobine 71 de la fi-25 gure 6. Sur la figure 7a, une résistance 77 est montée en série avec un transistor de commutation 81. Ce dernier peut être utilisé pour fermer et ouvrir le circuit 75, et d'une façon typique, il est commut^en circuit pour fermer le circuit 75 pendant la période de mise en marche, en diminuant l'inductance de la bobine d'arrêt, et 30 il est commuté hors circuit après la période de mise en marche pour le fonctionnement en régime permanent. Sur la figure 7b, un thyristor 83 est utilisé à la place du transistor 81 de la figure 7a, et sur la figure 7ç, un dispositif 85 de décharge à vapeur de cadmium, présentant une électrode de 35 déclenchement 87, est utilisé à la place du transistor 81 de la figure 7a. Le fonctionnement de ces deux circuits est le même ; dans chaque cas, le circuit est fermé au début de la période de 69 23027 -7- 2012423 mise en marche, comme dans le cas du transistor 81 de la figure Ta, par l'amorçage du thyristor 83 ou du dispositif 85, respectivement. Cependant, le circuit est automatiquement ouvert par l'extinction du thyristor 83 ou du dispositif 85, respectivement, 5 lorsque la tension aux bornes du thyristor 83 ou du dispositif 85, respectivement, est inversée et lorsque l'intensité dans le circuit 75 tombe à zéro. Etant donné que le circuit 75 comprend l'enroulement secondaire 73 de la bobine d'arrêt 15, il a un effet inducteur, de sorte que les conditions d'extinction ne sont pas sa-10 tisfaites pendant plusieurs périodes, après le début de la période de mise en marche, et on peut faire eijèorte que ceci soit suffisant pour les applications voulues. Sur la figure 7d, un condensateur 89 et un thyristor 91 sont montés en série avec la résistance 77 î un circuit de charge 93, 15 comprenant une source de tension et un interrupteur, est connecté aux bornes du condensateur 89, et il est également prévu une diode 95 qui est connectée aux bornes du condensateur 89. Le fonctionnement de ce circuit varie légèrement,par rapport à ceux décrits ci-dessus, du fait que le condensateur 89 est chargé 20 avant la mise en marche. Au début de la période de mise en marche, le condensateur 89 se décharge dans le thyristor en amorçant le thyristor 91. Lorsque le condensateur 89 est entièrement déchargé, le courant continue à circuler dans le circuit par l'intermédiaire de la diode 95, jusqu'à ce que la tension régnant aux bornes du 25 thyristor 91 soit inversée et que l'intensité du courant qui le traverse tombe à zéro ; alors, le thyristor 91 s'éteint et le circuit est ouvert. Le circuit 75 de la figure 6 peut être utilisé de nouveau pour mettre le système à l'arrêt. Lorsque le circuit est celui dé-30 crit ci-dessus, en se référant à la figure 7a, le transistor 81 est alors commuté en circuit pendant la durée de la période d'arrêt. Lorsque le circuit est l'un de ceux décrits plus haut en se référant aux figures 7b et 7c, ou 7d, des impulsions sont alors appliquées au thyristor 83, au dispositif de décharge 85 ou au 35 thyristor 91 (suivant le cas), afin de l'allumer jusqu'à ce qu'on obtienne un amorçage. 69 23027 -8- 2012423 La figure 8 représente un schéma de montage du redresseur principal d'un circuit de chauffage par induction. Un enroulement secondaire 51 d'un transformateur triphasé, monté en étoile, est connecté d'une façon classique à un circuit, redresseur à deux al-5 ternances triphasé 53 présentant des bornes de sortie 55. Il est' nécessaire d'avoir une forte impédance dans le circuit secondaire 51 pour limiter le courant dans les redresseurs (en particulier si l'on utilise des redresseurs à semi-conducteurs)au cas oîi une panne de commutation dans le convertisseur provoquerait un court-circuit 10 aux bornes de sortie en courant continu 55 du redresseur 53. Par conséquent, on fait en sorte que l'enroulement du transformateur présente une inductance de fuite importante. Par suite, la source de courant présente une haute impédance et comporte un circuit équivalent, sous certains rapports,à celui de la figure 9, 15 où. une bobine d'induction 59 et une résistance 61 sont connectées aux bornes de sortie en série avec une source de tension 63. L'a valeur des composants de la figure 9 est telle que l'impédance de la source peut être du même ordre que l'impédance réduite de la bobine d'arrêt 15 de la figure 6; Par suite, il est 20 possible de ne pas pouvoir assurer la réduction voulue de la saute de tension au moyen de l'enroulement secondaire de la bobine d'arrêt seulement, et une impédance en parallèle avec la source d'alimentation peut être également nécessaire. Elle peut avoir la forme d'un condensateur et d'une résistance en série aux bornes de sortie 25 55, comme représenté sur la figure 10, sur laquelle une résistance 65 et un condensateur 67 sont montés en parallèle avec une source 69 à haute impédance aux bornes de sortie 55. Le condensateur 67 doit avoir une valeur importante, en comparaison de la capacité effective du condensateur 19 de la figure 30 1, par rapport à l'enroulement primaire 7 du transformateur 5 » par exemple : °67 ~10019/n2 oU. Cgj est la capacité du condensateur 67, 0^ est la capacité du 35 condensateur 19 et n est le rapport de transformation secondaire/ primaire du transformateur 5. 69 23027 -9- 2012423 la résistance 65 doit avoir une valeur du même ordre que la tension continue en pleine charge, mesurée aux bornes de sortie 55 divisée par le courant continu en pleine charge, mesuré aux bornes de sortie 55. Dans le cas d'un convertisseur ou onduleur 5 qui ne comporte pas un redresseur, du fait qu'il fonctionne en courant alternatif, par exemple un inverseur. .■ de périodes, la résistance 65 doit avoir une valeur du même ordre que la'tension efficace en pleine charge à la sortie du transformateur d'alimen-, tation divisée par l'intensité efficace en pleine charge à la sor-10 tie du transformateur d'alimentation. Pour maîtriser de brusques variations de la tension dans la source de courant alternatif, provoquées par la commutation, il a été conseillé jusqu'ici d'utiliser des circuits résistance-capacité connectés aux bornes de la source d'alimentation ; cependant, les 15 valeurs des composants de ces circuits étaient généralement beaucoup plus faibles que celles nécessaires dans cette application. 69 23027 -10- 2012423 - REVENDICATIONS - 1 Système de réglage de la source d'alimentation pour un chauffage par induction, caractérisé en ce qu'il comprend deux convertisseurs statiques montés en parallèle, connectés en série 5 avec une bobine d'arrêt commune et une source d'alimentation, et un dispos itif pour amorcer et couper successivement les convertisseurs statiques, tour à tour, afin de maintenir un courant sensiblement constant à partir de la source d'alimentation, la bobine d'arrêt comportant un enroulement secondaire connecté dans 10 un circuit qui comprend un dispositif de commutation. 2 - Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source de courant est une source de courant continu et en ce que sensiblement la totalité du courant sensiblement constant circule à travers la bobine. 15 3 - Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source de courant est une source de courant alternatif polyphasé®, une bobine d'arrêt séparée étant connectée à chaque phase de sortie et chaque bobine d'arrêt comportant un enroulement secondaire connecté dans un circuit séparé qui comporte un dispositif de commuta-20 tion. 4-Système selon l'une quelconque des revendications 1, 2 et 3, caractérisé en ce que le dispositif de commutation est un transistor. 5 - Système selon l'une quelconque des revendications 1, 2 25 et 3, caractérisé en ce que le dispositif de commutation est un thyristor. 6 - Système selon la revendication 5, caractérisé en ce-qu'il comprend, en série avec une thyristor, un condensateur présentant un circuit redresseur en parallèle et un circuit de charge en 30 parallèle. 7 - Système selon l'une quelconque des revendications 1, 2 et 3, caractérisé en ce que le dispositif de commutation est un dispositif à décharge. 8 - Système selon la revendication 7, caractérisé en ce que 35 le dispositif à décharge est un dispositif à décharge à vapeur de cadmium. 69 23027 -11- 2012423 9 - Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit résistance-capacité connecté aux bornes de la source d'alimentation. 10 - Système selon la revendication 9, caractérisé en ce 5 qu'il comporte un condensateur de correction du facteur de puissance, monté en parallèle, présentant une capacité effective aux convertisseurs statiques, dans laquelle la valeur de résistance du circuit résistance-capacité est du même ordre que le rapport entre la tension en pleine charge et l'intensité en pleine charge de la 10 source d'alimentation, et la valeur de la capacité du circuit ré-sistance-capacité est grande en comparaison de la capacité effective présentée aux convertisseurs statiques par le condensateur de correction du facteur de puissance.