Brevet FR2051861A1 — publié le 19710409

la présente invention concerne des générateurs électriques à haute tension, et plus particulièrement des générateurs du type Cockcroft-Walton. Un générateur Cockcroft-Walton comprend deux rangées de con-5 densateurs montés en série et des connexions croisées unidirectionnelles disposées en zigzag entre les rangées, de manière que l'application d'un courant alternatif aux extrémités des deux rangées produise des transferts de charge successifs, avec addition des tensions, d'un condensateur d'une rangée au condensateur suivant 10 de l'autre rangée, et ainsi de suite. La présente invention concerne un ensemble constitué d'éléments et dénommé ci-après ensemble modulaire formant un générateur à haute tension du type Cockcroft-Walton, comprenant un ou plusieurs étages Cockcroft-Walton montés à l'intérieur d'une enveloppe 15 conductrice qui constitue un blindage entourant lesdits étages, des bornes d'entrée .et de sortie étant destinées à être connectées facilement à volonté à un autre ensemble standard, de manière que les élévations de tension de chaque ensemble s'ajoutent et de sorte qu'une pile de N ensembles modulaires connectés entre eux puisse 20 produire une tension NV oîi Y est la tension propre produite par chacun des ensembles. Par étage Cockcroft-Walton, on entend deux condensateurs connectés par une connexion unidirectionnelle, tels que lorsqu'un courant alternatif est appliqué à leur entrée, la charge est 25 transmise avec addition de tension, d'un condensateur à l'autre. Une autre caractéristique de l'invention réside dans le fait que le blindage est maintenu à un potentiel intermédiaire, de préférence à une valeur moyenne entre les potentiels des bornes d'entrée et de sortie de l'ensemble modulaire. 30 De cette manière, les étages de chaque ensemble modulaire peuvent supporter les contraintes électriques correspondant aux différences de potentiel nominales prévues entre ses bornes d'entrée et de sortie entre ces dernièrea et le blindage. De même, chaque ensemble modulaire et son blindage peuvent supporter les contraintes 35 correspondant à une différence de potentiel prédéterminée entre eux et un ensemble modulaire voisin d'une même pile. 70 26545 2 2051861 La disposition et la conception des éléments électriques et de leurs bornes sont telles que les contraintes électriques qu'elles subissent ne se traduisent pas par un-claquage, par exemple, par amorçage d'un arc dans l'espace séparant les bornes d'un '5 -condensateur. Une autre caractéristique importante de l'invention réside dans le fait que les bords du blindage sont roulés de manière que toutes ses surfaces tournées vers l'extérieur présentent des courbes douces, de rayon suffisamment grand pour supporter les con-10 traintes qui se produisent entre les blindages voisins d'ensembles " modulaires voisins lorsqu'ils sont montés dans une pile. On notera qu'en entourant chaque ensemble par un tel blindage dont les surfaces présentent des courbures très faibles en comparaison de celles, par exemple, des bornes d'un condensateur, les problèmes 15 posés par les contraintes entre un premier ensemble et le suivant, peuvent être résolus facilement. De plus, cette caractéristique permet de résoudre facilement les problèmes de contrainte qui se posent entre l'élément modulaire de la pile qui se trouve à la tension la plus élevée et les objets à la masse les plus rapprochés, 20 tels que le boîtier principal à l'intérieur duquel est montée la pile. La présente invention concerne également un ensemble modulaire tel que décrit ci-dessus, combiné avec un onduleur qui l'alimente en courant, 1' onduleur comprenant deux thyristors et un dispo-25 sitif commutant les thyristors alternativement à la conduction et au blocage, les thyristors étant montés de manière à commuter le courant d'une ou de plusieurs sources de courant continu pour appliquer un courant alternatif à une charge de sortie, un circuit résonnant monté de manière à recevoir le courant alternatif des 30 thyristors étant agencé de manière à résonner, de façon que l'inversion de courant dans ce circuit fasse bloquer le thyristor qui est conducteur avant que l'autre thyristor ne soit déclenché deux circuits unidirectionnels de débordement connectés aux bornes des thyristors laissant échapper le courant inverse du circuit 35 résonnant, après que ce dernier a bloqué le thyristor "conducteur", comme indiqué plus haut, chacun de ces circuits comprenant une self. 70 26545 3 2051861 Les deux circuits de fuite unidirectionnels peuvent partager une self commune. D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention ressortiront au cours de la description détaillée qui va sui- 5 vre, faite en regard des dessins annexés qui donnent à titre explicatif, mais nullement limitatif, plusieurs formes de réalisation conformes à l'invention. Sur ces dessins : La figure 1 est une élévation, en partie en coupe dans la 10 direction de la flèche A de la figure 2 j la figure 2 est une vue en plan dans laquelle certains éléments ont été supprimés ; la figure 3 est une vue partielle d'une partie de l'appareil, dans la direction de la flèche B de la figure 2 ; 15 la figure 4 est le schéma du circuit de l'appareil élec trique représenté sur les figures 1 à 3 î la figure 5 est le schéma de circuit électrique d'une partie d'un onduleur ; la figure 6 est un schéma de circuit électrique d'une par- 20 tie de l'onduleur représentée sur la figure 5» dans lequel un élément a été supprimé ; la figure 7 représente des formes d'onde de tension et de courant en fonction du temps, en divers points indiqués sur la figure 5 ; 25 la figure 8 est un schéma de circuit électrique d'une partie de la figure 5, représentant plus en détail le circuit de charge ; les figures 9(a) et 9(b) représentent des formes d'onde qui sont associées à la description du fonctionnement du circuit de la figure 8 , et 30 la figure 10 représente une variante de 1' onduleur de la figure 5• Dans l'exemple représenté, un générateur de haute tension électrique est constitué par trois ensembles modulaires qui sont empilés. 35 L'ensemble standard de base 11 qui constitue l'ensemble central de cet exemple comprend quatre condensateurs C1, C2, C3 et C4 qui sont connectés à des diodes D1, D2,.D3, D4 , suivant un 70 26545 4 2051861 montage Cokcroft—Walt on, comme on le voit en particulier sur la figure 4. Des résistances R1 , R2, R3 et R4 , chacune de 100 mégohms permettent aux charges des condensateurs de fuir lentement pour éviter qu'une haute tension ne soit maintenue aux bornes de l'appa-5 reil pendant qu'il n'est pas en fonctionnement. l'ensemble inférieur 11i et l'ensemble supérieur 11 _o sont semblables à l'ensemble 11 mais comportent'de légères modifications leur permettant de constituer un ensemble d'entrée et un ensemble de sortie. 10 les ensembles 11i et 11o comportent le même réseau de conden sateurs C1, C2, C3, C4 de diodes D1 , D2, D3, D4 et de résistances R1 , R2, R3 , R4. Cependant, une connexion 12 relie l'ensemble d'entrée 11i à une douille d'entrée ED1 à laquelle le courant alternatif d'alimentation d'entrée est appliqué. L'ensemble d'entrée 11 i 15 comprend également une résistance R5, 220 ohms-3 watts, une diode et un condensateur D5 et C5 qui sont utilisés pour le contrôle. La résistance R5 est une résistance en shunt disposée de manière que la tension mesurée entre ses bornes donne une indication du courant de sortie„ Le montage de la diode D5 et du condensateur C5 20 permet de mesurer le courant de fuite passant par les résistances R1 et 32 ot de donner une indication de la tension. L?ensemble de sortie 11o est connecté par un câble 13 à une douille- de sortie SE2, Plusieurs résistances en série R6, R7, R8, R9j chacune de 2,2 kilohms et d'un régime de 6 watts, sont montées 25 sur ce câble. Ces résistances ont pour but de limiter le courant tiré de la sortie, en particulier dans le cas où celle-ci est court-circuitée. Les figures 1, 2 et 3 représentent la disposition des éléments dans l'espace» Dans chaque ensemble modulaire 11, ou 10o ou 11 i, 30 les condensateurs C1, 02, 03 et C4 sont montés par paires sur des plaques espacées 14, 15 pourvues de supports 16, 17, 18, 19 destinés à être fixés à des tiges de support en polyméthacrylate de méthyle 21, 22. Chacun des ensembles modulaires comporte des bornes d'entrée 35 et de sortie dont une seule de chacun© d'elles e^fe visible sur la figure 1. Dans la pile, les bornes cl8entrée et de sortie appropriées sont reliées par des connexions croisées 23 constituées par des fils et des connecteurs. 70 26545 5 2051861 Chaque ensemble modulaire est entouré par un blindage cylindrique conducteur 24 dont les bords sont roulés, comme on le voit en 25 pour éviter les contraintes dues à des champs électriques intenses. 5 La forme du sommet du blindage cylindrique 24o de l'ensem ble de sortie 24o lui permet de recevoir un couvercle 26 doucement arrondi et à ajustage serré, en une matière conductrice de l'électricité . Dans cet exemple, les ensembles modulaires sont concus de 10 manière à produire chacun une tension de 20 kilovolts. Les éléments des ensembles sont disposés de manière à éviter un claquage électrique dans l'air pour une différence de potentiel de 20 kilo-volts entre les bornes d'entrée et de sortie. Le blindage 24 est maintenu à -un potentiel moyen entre ceux des bornes d'entrée et 15 de sortie/iî peut supporter une différence de potentiel de 10 kilovolts dans l'air entre ces bornes et le blindage. Dans la pile, les blindages 24 peuvent supporter une différence de potentiel de 20 kilovolts entre les blindages voisins et leurs dispositifs de montage à l'intérieur du boîtier principal, indiqué en 20 27, doivent être tels qu'il ne se produise aucun claquage entre ce montage et l'un quelconque des blindages 24, en particulier le blindage 24£ de l'ensemble modulaire de sortie qui se trouve au potentiel le plus élevé par rapport au support à la masse 27. On se rendra compte que les problèmes posés par les contraintes entre 25 un ensemble modulaire et le suivant, ou bien entre l'un des ensembles modulaires et les supports principaux sont résolus facilement à l'aide des blindages 24 dont les surfaces tournées vers l'extérieur présentent des courbures très faibles en comparaison de celles des bornes des condensateurs, par exemple. 30 Un générateur pour une tension très élevée peut être réa lisé par addition drensembles modulaires 11 dans la pile qui est disposée entre les ensembles d'entrée et de sortie. Les difficultés de contraintes soulevées par une telle réalisation sont réduites considérablement du fait que chaque ensemble sup-35 porte les contraintes internes et qu'il suffit alors de tenir compte des contraintes entre un ensemble et le suivant et entre les ensembles et 1'environnement. Les valeurs ou les spécifications 70 26545 6 2051861 des éléments qui n'ont pas déjà été données sont les suivantes : La valeur combinée des résistances R1 et R2 de l'ensemble standard d'entrée 11i indiqué par un astérisque sur la figure 4, est de 50 mégohms, plus ou-moins 2 5 Condensateur C1, C2, C3, C4 - capacité 0,05 microfarads, tension de fonctionnement 10 kilovolts. Condensateur- C5 - 100 picofarads. Diodes D1,D2 , D3, D4 des ensembles standards de base11 et de sortie 11o - 1C 180. 10 Diodes D1, D2, D3, D4 des ensembles standards d'entrée 11i - ED1 type RTD14. Diode D5 - Z2A 100F. Douille de contrôle SK1 = douille à quatre directions Plessey Mk.IT. 15 Sur la figure 4» la pile de sortie est négative. Pour une sortie positive, il faut inverser toutes les diodes, La figure 5 représente une partie d'un onduleur appliquant un courant alternatif à la douille d'entrée EL1 du générateur à haute tension des figures 1 à 4. 20 La sortie est prise en fait au point marqué M, aux bornes d'une charge représentée par une résistance EL sur la figure 5 et qui est représentée d'une manière plus détaillée à l'intérieur du-rectangle en pointillés de la figure 8. Une source de courant continu applique des tensions de va-25 leurs +E , -E et 0 volt aux points marqués d'une façon correspondante sur la figure 5. Des redresseurs commandés' au silicium ou ' thyristors CSR1 etCSR2 commutent le courant passant par la résistance RL, alternativement entre les valeurs +E et -E. les impulsions de déclenchement de ces thyristors sont fournies par un 30 circuit extérieur non représenté. La commutation est produite par un circuit résonnant comprenant une self 11 et un condensateur CC1o Des diodes DD1 et DD2 dissipent le courant inverse après que leur thyristor correspondant CSR1 ou CSR2 a commuté au blocage. Une self 12 remplit une fonction importante qui peut être 35 comprise on. particulier en examinant le fonctionnement du circuit dans la self L2, c'est-à-dire le circuit représenté sur la figure 6. 70 26545 7 2051861 En supposant que la tension de sortie au point A, figure 6, _ est une onde rectangulaire, juste avant que le thyristor CSR1 ne commute, le point A se trouve à -E volts et la diode DD2 est conductrice comme indiqué par la flèche. Lorsque le thyristor 5 CSR1 est déclenché, le potentiel du point A s'élève jusqu'à + E volts, le courant s'inverse dans la résistance de charge EL et le courant passant par le thyristor CSR1 dans le circuit résonnant qui contient la self 11 et le condensateur CC1 s'ajoute au courant initial. Une demi-période plus tard, le courant s'inverse 10 dans le circuit résonnant et lorsque la valeur de ce courant est supérieure à celui de la résistance de charge EL, le thyristor CSR1 se bloque et le courant en surplus du circuit résonnant est renvoyé à la borne + E par la diode DD1 . Pour ce fonctionnement, la fréquence de résonance du cir-15 cuit résonnant doit être légèrement supérieure à la fréquence de commutation des thyristors et l'impédance caractéristique doit être du même ordre que RI pour que la pointe de courant dans le circuit résonnant en train de commuter soit supé- 20 rieure au courant dans la résistance de charge EL. Le circuit représenté sur la figure 6 présente un certain nombre d'inconvénients : (a) Pour que les thyristors reviennent rapidement au blocage, il faut leur appliquer et maintenir une tension inverse importante.. 25 Dans ce circuit, la tension est limitée à une valeur de l'ordre de 1 volt par la diode montée en parallèle. En conséquence, la durée nécessaire pour que le thyristor se bloque est augmentée et la fréquence de fonctionnement maximale de 1' onduleur est limitée. 30 (b) Si la valeur de la résistance de charge EL tombe en dessous .de la valeur approximative ' , la commutation cesse, les deux thyristors sont commutés à la conduction simultanément et eourt-circuitent directement l'alimentation. 35 (c) L'onduleur de cet exemple commande un générateur Cock crof t-Walton par l'intermédiaire d'un transformateur élévateur. Lorsque la charge est nulle et que la commande s8 effectue par une onde rectangulaire, le dépassement du secondaire du transformateur dû à son inductance de fuite et à sa capacité répartie est \Jâ VCC1 70 26545 8 2051861 égal à la tension de commande. Du fait que la sortie sans charge du générateur Cockcroft-Walton est proportionnelle à la tension d'entrée entre pointes, des tensions de sortie excessives» sont produites et peuvent avoir des conséquences désastreuses. Il 5 est souhaitable de ce fait que les bords de la forme d'onde de commande soient ralentis pour réduire le dépassement. On voit que les diodes DD1 et DD2 sont montées de manière à constituer des circuits unidirectionnels pour le courant de dépassement et qu'elles sont montées aux bornes des thyristors CSR1 10 et CSR2 pour laisser échapper le courant inverse du circuit résonnant après que ce courant a amené au blocage le thyristor qui était conducteur. En montant une self dans chacun des circuits offerts au courant de dépassement, il est possible d'éviter ou de réduire les inconvénients indiqués plus haut. 1 5 La figure 5 représente une self L2 qui a été incorporée et qui est partagée par les circuits des diodes DD1 et DD2 qui sont offerts au courant de dépassement. Le circuit de la figure 5 fonctionne comme suit: Juste avant que le thyristor CSB1 ne soit déclenché à la con-20 duction, la diode DD2 est conductrice et un courant Iç passe par la self L2 dans le sens indiqué par la flèche Q. Lorsque le thyristor C3R1 est déclenché à la conduction, un courant le passe pa-r le thyristor et "pénètre dans le circuit résonnant constitué par la self L1 et par-le condensateur CC1. Ce courant le du cir-25 cuit résonnant s'ajoute au courant le et leur somme est un cou- * rant Ib. La valeur du courant le diminue pendant que le courant le s'élève jusqu'à sa valeur de rssosiance. Le courant le tombe à un niveau pour lequel la diode DD2 devient non conductrice et ensuite le potentiel Vd du point d^ sortie (voir la référence Vd 30 sur la figure 5) commence à s'élever du fait de la résonance et passe de -E volts à +E volts, le circuit résonnant pour cette élévation de tension étant constitué par la self L2 et par la capacité répartie dans la résistance de charge EL. Les formes d'onde des divers courants et tensions décrits 35 ci-dessus sont représentées sur la figure 7, la forme d'onde supérieure étant celle du potentiel Va qui apparaît à la jonction entre les selfs L1 et L2 (voir figure 5). Le courant Ib dans le circuit résonnant- de la sélf L1 et du bad orignal 70 26545 9 2051861 condensateur CC1 s'inverse et passe par la self 12. A l'instant t1 (voir figure 7), la valeur du courant Ib est égale, mais de sens opposé, au courant le, de sorte que le courant passant par le thyristor CSR1 est nul et que ce dernier cesse d'être conducteur. T|TV 5 En conséquence, une tension -12 est produite aux bornes du thyristor CSR1. Cette tension iSt représentée par la pointe de la forme d'onde du potentiel Va (figure 7). Cette pointe de tension produite par la self 12 supprime rapidement la charge emmagasinée par le thyristor CSR1 et lui permet de revenir à son 10 état de blocage. Peu après, le thyristor CSR2 est amorcé et le circuit fonctionne d'une manière équivalente, en sens opposé. On voit ainsi qu'une tension inverse importante (Va) est produite , qu'elle accélère le rétablissement des thyristors et que les bords de la forme d'onde appliquée à la charge RI ont été 15" ralentis. De plus, si EL est court-circuité, la self 12 agit comme une charge inductive et sa valeur peut être choisie ainsi que celle de la self 11 et du condensateur CC1 pour que le circuit continue à commuter même si la résistance de charge EL est court-circuitée. la figure 8 permet de voir l'effet de la self 12 sur le 20 dépassement du secondaire du transformateur de sortie lorsque la charge EL est constituée par un transformateur. Sur la figure 8, le transformateur T est monté à la place de la résistance EL, certains éléments restants du circuit ayant été supprimés. Une self 13 et un condensateur CC3 représentent 25 l'inductance de fuite et la capacité répartie du transformateur, rapportées à son enroulement primaire. lorsqu'un échelon de tension de 2E volts est appliqué à l'entrée du transformateur, le potentiel du point de référence C s'élève par résonance jusqu'à- une valeur de 4E volts. Juste avant 30 que la diode DD1 ne soit conductrice, le potentiel du point B est de +E volts, c'est-à-dire que la tension aux bornes de la self 12 est nulle. De ce fait, le taux de variation de courant est nul dans la self 12, les potentiels des points C et D sont également +E volts et le courant est à ce moment : 2E.CC3 35 "V12+I3 lorsque la diode DD1 est conductrice, l'inductance en série effective tombe à la valeur de 13. Dans ces conditions, on peut 70 26545 10 2051861 montrer que la valeur du dépassement est 2K1' ir- L2 + 13 les figures 9(a) et 9(b) montrent ce qui se passe dans ce cas. la figure 9(a) représente la forme d'onde de la tension aux bornes du transformateur lorsque 12 = 0 , c'est-à-dire pour 5 le montage de la figure 6. la figure 9(b) représente la forme d'onde de la tension aux bornes du transformateur lorsque le montage comporte une self 12 = 813 comme dans le montage de la figure 5. la figure 10 représente une variante de 1' onduleur dans 10 laquelle la résistance de charge El' est montée aux bornes du condensateur CCI' qui fait partie du circuit de commutation résonnant. Une seule self 11' comportant trois prises remplace les selfs 11 et 12 de la figure 5. le montage et le fonctionnement des thyristors CSR11 et CSR2', des diodes DD1 1 et DD2'sont équiva-1 5 lents à ceux des éléments correspondants de la figure 5. Il va de soi que la présente invention n'a été décrite et représentée qu'à titre explicatif, mais nullement limitatif, et qu'elle est susceptible de diverses variantes sans sortir de son cadre. 1EG-BKDE DES DESSXHS Figure Repère - 8 AA Sortie 9 (a) AB Sortie non amortie 12=0 9(b) AC Sortie non amortie s 12= 813 « 70 26545 n 2051861 REVENDICATIONS - - 1. Ensemble modulaire pour un générateur à haute tension du type Cockcroft-Walton, caractérisé en ce qu'il comprend un ou plusieurs étages Cockcroft-Walton montés à l'intérieur d'une en-5 veloppe conductrice qui forme un blindage entourant lesdits étages, des bornes d'entrée et de sortie étant destinés à réaliser facilement et à volonté des connexions avec un autre ensemble modulaire, de manière que les élévations de tension de tous les ensembles s'ajoutent, une pile de ÎT éléments standards connectés 10 ensemble pouvant ainsi produire une tension NV où Y est la tension produite par chaque ensemble modulaire individuel. 2. Ensemble modulaire suivant la revendication 1 , caractérisé en ce que le potentiel du blindage est à une valeur inteimédiaire entre ceux des bornes d'entrée et de sortie de l'ensemble. 15 3. Ensemble modulaire suivant la revendication 2, caracté risé en ce que le potentiel du blindage est un potentiel moyen par rapport à ceux des bornes d'entrée et de sortie de l'ensemble. 4. Ensemble modulaire suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étage ou chacun 20 des étages disposés à l'intérieur de l'ensemble modulaire peut supporter des contraintes correspondant à des différences de potentiel prédéterminées entre leurs bornes d'entrée et de sortie ainsi qu'entre ces bornes et le blindage qui les entoure. 5. Ensemble modulaire suivant l'une quelconque des revendi-25 cations précédentes, caractérisé en ce qu'il peut supporter ainsi que le blindage qui l'entoure une'contrainte correspondant à une différence de potentiel prédéterminée entre eux et un ensemble modulaire voisin d'une pile de ces ensembles. 6. Ensemble modulaire suivant l'une quelconque des revendica-30 tions précédentes, caractérisé en ce que les bords du blindage sont roulés de manière que toutes ses surfaces tournées vers l'extérieur présentent des courbes douces d'un rayon suffisamment grand pour supporter les contraintes pouvant se produire entre les blindages voisins des ensembles modulaires adjacents, lors-35 qu'ils sont montés dans une pile. 7. Ensemble modulaire suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est combiné avec 70 26545 12 2051861 un onduleur fournissant du courant à l'ensemble , cet onduleur comprenant deux thyristors et un dispositif commutant alternativement les thyristors à l'état conducteur et à l'état bloqué, de manière que les thyristors commutent le courant d'une ou plusieurs 5 sources de courant continu et appliquent un courant alternatif à une charge de sortie, un circuit résonnant recevant le courant alternatif des thyristors?monté et étant agencé pour résonner,de manière que les inversions de courant dans ce circuit bloquent le thyristor qui est conducteur avant que l'autre thyristor ne soit 10 rendu conducteur, deux circuits unidirectionnels offerts au courant de dépassement étant connectés aux bornes des thyristors pour laisser échapper le courant inverse du circuit résonnant après que ce courant a provoqué le blocage du thyristor "conducteur" comme indiqué plus haut, chacun des circuits unidirectionnels de 15 fuite du courant comprenant une self. 8. Ensemble modulaire combiné avec un onduleur suivant la revendication 7, caractérisé en ce que les deux circuits unidirectionnels de fuite du courant partagent une self commune.