Brevet FR2435791A1 — publié le 19800404

La- presente invention concerne la technique de la production des tensions continues élevées, et plus précisément, un dispositif transformateur à redresseur a' haute tension, qui peut être utilisé pour l'alimentation de divers dispositifs électrophysiques et, en particulier, pour l'alimentation des installations technologiques à faisceaux cathodiques, pour la soudure, le brasage et le tronçonnage des métaux, ainsi que pour le pompage des lasers puissants a.électro-ionisa- tion On connaît un dispositif transformateur à redresseur pour l'alimentation d'une installation a faisceaux cathodiques, réalisé sous la forme d'un système coaxial formé par un tube accélérateur, un enroulement secondaire divisé en sections, un circuit magne tique divisé en sections, et un enroulement primaire, le tout étant place sous un capot métallique commun. Le flux magnétique de travail excité par lten- roulement primaire est boucle partiellement à travers les é1C- ments non magnétiques de la structure et induit dans chaque section de ltenroulement secondaire une tension alternative, qui est transformée en tension continue au moyen d'un tube accelérateur incorpore. Dans le dispositif transformateur à redresseur connu, une composante continue du courant d'aimantation est engendré et le flux magnétique est bouclé a travers l'espace non ferromagnétique du tube accélérateur. Ceci entrasse 11 accroissement de la puissance installée du système d'alimentation et réduit la fiabilite et la durez de vie de l'accelérateur, car les anomalies de fonctionnement dans le système d'alimentation et dans le canal d'accéleration des electrons sont par construction indisso cibles On connaît egalement des dispositifs transformateurs à redresseurs prévus pour alimenter un accélérateur d'électrons à action directe Ce dispositif comporte un transformateur triphasé élévateur à circuit magnétique à colonnes portant un enroulenent primaire et un enroulement secondaire divisé en sections. Les blocs de redresseurs formant le pont redresseur sont-disposes parallèlement à l'axe de symétrie du circuit magnétique. L'un des pales du pont redresseur est mis à la terre, tandis que le deuxième pôle est raccordé à l'écran de potentiel. Le neutre de l'enroulement secondaire à haute tension est également raccordé à son propre écran de potentiel, isolé au moyen d'un isolateur de base par rapport à la culasse inferieure du circuit magnétique. La borne à haute tension du disposif est raccordée à l'écran de potentiel du pôle du redresseur en pont et est située sur l'axe de symétrie du circuit magnétique. Le tube accélérateur coïncidant avec cette borne est installé dans une cuve commune avec le dispositif transformateur à redresseur et cette cuve est remplie d'hexafluorure de soufre. Cependant, dans le dispositif connu, les conditions de fonctionnement de l'isolation sont très sévères en raison de la structure non optimale du champ électrique dans le volume de travail, de la forte réactance et du faible facteur de puissance pour des tensions de sortie atteignant plusieurs centaines de kilovolts. Ainsi, l'isolation du dispositif dans le sens de l'axe de symétrie du circuit magnétique doit être calculée en plus (outre l'isolation axiale propre de l'enroulement secondaire) pour la tension entre le neutre de l'enroulement secondaire et le circuit magnétique mis S la terre, et ensuite, deux fois pour la tension redressée totale. Ceci réduit la fiabilité de fonctionnement du dispositif transformateur-redresseur, compte tenu des surtensions éventuelles dans le sys tème et au régime d'exploitation normal. Dans le dispositif connu, les enroulements secondaires divisés en sec-tions et correspondant aux phases doivent être isolés pour la pleine tension composée, car ils sont raccordés aux blocs de redresseurs constituant les bras com plets du redresseur en pont triphasé. Ceci complique la structure radiale du champ électrique dans le volume de travail du dispositif. Le percement électrique de l'une des sections de l'enroulement secondaire represente une panne mettant en cause le système entier, car alors le flux magnétique est refoulé de la colonne du circuit magnétique spatiale qui est commun à tou tes les sections de l'enroulement secondaire. Etant donné que l'enroulement secondaire du transformateur élévateur est isolé pour la pleine tension par rapport au circuit magnétique, il se forme alors un canal important de fuites du champ magnétique, la réactance augmente et par conséquent les pertes de tensions dans les intervalles de commutation des redresseurs augmentent. En pratique, l'induc-tance de fuites d'un transformateur est égale à 15 à 20 -. I1 en résulte que les indices énergétiques du dispositif sont dégradés, car il se produit une chute de la caractéristique externe et le convertisseur consomme une forte puissance au niveau des redresseurs due à l'accroissement de l'angle de commutation des redresseurs.La combinaison dans le même bloc d'un dispositif transformateur à redresseur a' haute tension et d'un tube accélérateur réduit la fiabilité et la durée de fonctionnement ininterrompu de l'accélérateur dans son ensemble, car les anomalies de fonctionnement dans la source d'alimentation et dans la charge ne sont pas dissociées. En cas d'un percement électrique et d'un endommagement d'un élément quelconque du système dtalimentation ou -du tube, il faut procéder au démontage de l'ensemble de l'accélérateur. L'invention concerne un dispositif transformateur à .rgesseurs et a haute tension dans lequel une nouvelle réalisation constructive du circuit magnétique et, en rapport avec ceci, une nouvelle réalisation des enroulements et des écrans de potentiel et une nouvelle solution du montage des blocs de redresseurs permet d'améliorer la-fiabilité de l'isolation principale et la puissance volumique spécifique, d' améliorer les caractéristiques énergétiques, la réactance et le facteur de puissance d'un dispositif transformateur à redresseurs haute tension prévu pour alimenter une charge à faisceau cathodique, de réduire le poids et l'encombrement d'une source à haute tension d'alimentation d'un canon électronique et de créer une source d'alimentation a' haute tension compacte et fiable, à caractéristique externe rigide et å rendement élevé. L'invention a donc pour objet un dispositif transformateur à redresseurs-et à hautetension, comportant un transformateur élevateur triphasé avec un circuit magnétique spatial comportant un enroulement primaire et un enroulement secondaire divisé en sections et auquel sont raccordés des blocs de redresseurs qui sont couplés selon un montage en pont dont l'un des pales est mis à la terre, et qui sont disposés paral giclement à l'axe de symétrie du circuit magnétique, le dispositif comprenant un écran de potentiel du neutre de l'enroulement secondaire et un écran de potentiel des blocs de redresseurs relié électriquement à la borne & haute tension disposée suivant l'axe de symétrie du circuit magnétique, ledit dispositif transformateur-redresseur étant caractérisé en ce que le circuit magnétique- spatial est réalisé sous la forme de trois colonnes verticales qui comprennent chacune des noyaux bouclés isolés les uns des autres et fixés dans une carcasse isolante possédant une fenêtre commune et portant des sections de l'enroulement secondaire, l'enroulement primaire étant réalisé sous la forme de trois bobines rectangulaires plates, dont les parties verticales sont disposées par paires sur l'axe de la fenêtre cómmune-Ae chaque colonne de noyaux, le circuit redresseur en pont comportant des ponts redresseurs séparés, raccordés aux sections de l'enroulement secondaire, chaque écran de potentiel étant réalisé sous la forme de sections annulaires, disposées les unes au-dessus des autres suivant la hauteur des colonnes de noyaux. Il est avantageux de munir le dispositif d'écrans conducteurs mis a la terre, réalisés sous la forme de cylindres découpés selon leur génératrice et entourant les parties verticales des bobines de l'enroulement primaire, disposées par pairesdans lesdits cylindres. Il est également avantageux de réaliser la carcasse isolante des noyaux sous la forme d'un prisme possédant trois àces concaves formées de segments de cylindres diélectriques avec des fentes transversales pour positionner les noyaux annulaires avec les sections de l'enroulement secondaire fixées dans les fentes par des supports isolants. I1 est également avantageux de realiser la borne à haute tension sous la forme d'un cabale dont la tresse est enlevée, et qui est disposé sur l'axe de symétrie du circuit magnétique, et dtinstaller les sections de l'écran de potentiel des blocs de redresseurs concentriquement par rapport au câble, à sa surface. Il est également avantageux de réaliser les sections de 11 écran de potentiel de neutre de l'enroulement secondaire sous la forme d'anneaux conducteurs profilés entourant les trois colonnes de noyaux. D'autres caractéristiques de l'invention ressortiront plus particulièrement de la description suivante donnée a titre d'exemple et faite en se référant aux dessins an nexés sur lesquels - la Fig. 1 montre un dispositif transformateur à redresseur à haute tension, selon l'invention, vue de face et en coupe partielle selon l'axe de symétrie du circuit magnétique ; - la Fig. 2 est une vue en coupe selon la ligne Il-Il de la FigJ 1 - la Fig. 3 montre en perspective avec arrachement partiel une partie du dispositif transformateur à redresseurs et à haute tension, selon l'invention. - la Fig. 4 est un schéma électrique de branchement des blocs de redresseurs du dispositif transforateur a redresseurs et haute tension aux autres éléments de ce dernier, selon l'invention. Le dispositif transformateur à redresseurs et a haute tension comporte un transformateur élévateur triphasé avec un circuit magnétique spatial, portant un enroulement primaire 1 à plusieurs spires et à trois cadres et un enroulement secondaire 2 divisé en sections, auquel sont raccordés des blocs de redresseurs 3 qui sont raccordés selon un montage en pont et disposés parallèlement à Itaxe de symétrie 4 du circuit magnétique. Le dispositif comporte un écran de potentiel 5 du neutre de 11 enroulement secondaire 2 et un écran de potentiel des blocs de redresseurs 3 qui comporte des sections annulaires isolées 6. Le circuit magnétique spatiale est réalisé sous la forme de trois colonnes verticales 7 (Fig.2), qui comprennent chacune des noyaux torordaux 9 isolés les uns des autres et fixés dans une carcasse isolante 8 (Fig.l), lesdits noyaux portant des sections toroïdales 10 de l'enroulement secondaire 2 et possédant une fenêtre commune. L(enroulement pimaixe 1 est réalisé sous la forme de trois bobines 11 rectangulaires plates (Fig.3) dont les parties verticales sont disposées par paires sur l'axe de la fenêtre commune de chaque colonne 7 de noyaux 9. Les parties verticales de chacune des bobines 11 de l'enroulement primaire 1 sont incorporées dans leur propre écran électrostatique conducteur 12 mis à la terre, réalisé sous la forme d'un cylindre découpé selon sa génératri ce et entourant lesdites parties verticales des bobines 11 de 11 enroulement primaire 1. Chaque écran électrostatique 12 est isolé par une pclliculel3. La carcasse isolante 8 (Fig.2) est réalisée sous la forme d'un prisme possédant trois faces concaves formées par des segments 14 de cylindre en un matériau diélectrique avec des fentes transversales 15 (Fig.l), à travers lesquelles passent les noyaux toroïdaux 9 avec les sections 10 de I'enroulement secondaire 2, fixés dans les fentes 15 par des supports isolants 16 (Fig,2). Ces derniers sont montés avec des supports isolants principaux 17 de la structure dans des plaques isolantes profilées 13. La borne à haute tension du dispositif, disposée selon 1'axe de symétrie 4 du circuit magnétique, est formée par un cabale 19, dont la tresse est enlevée, les sections 6 de écran de potentiel des blocs de redresseurs 3 étant montees concentriquement par rapport au câble 19 et disposées les uns au-dessus des autres à sa surface selon la hauteur des colonnes 7 (Fig.3). L'écran de potentiel 5 du neutre de lrenroulement secondaire 2 est réalisé avec des sections annulaires isolées 20 (des anneaux conducteurs profilés), disposés les uns audessus des autres selon la hauteur des colonnes 7 et entourant les trois colonnes 7. Le corps conducteur étanche 21 (Rig.l) du dispositif muni d'un couvercle métallique 22 avec des bornes 23 est rempli d'un diélectrique gazeux ou liquide, servant d'agent caloporteur. Le montage en pont des blocs de redresseurs 3 (-Fig.4) est réalisé avec des ponts redresseurs distincts 24 qui comportent chacun six bras 25. Le point de raccordement 26 des bras correspondants 25 dupons 24 est raccordé au début de la section correspondante 10 de l'enroulement secondaire 2. Les extrémités des trois sections 10 de l'enrou- lement secondaire 2 sont raccordées entre elles en étoile et à la section annulaire correspondante 20 de l'écran de potentiel 5 du neutre.de l'enroulement secondaire 2. Les points milieu des sections 10 sont raccordés galvaniquement aux noyaux 9 correspondants. Le pôle positif 27 du premier pont (supérieur) 24 est mis à la terre, tandis que le pale négatif 28 du dernier pont (inférieur) 24 est raccordé électriquement à tra vers un connectettr 29 au câble 1Q. Des poules internédiaires 30 du montage en pont sont reliés galvaniquement aux sections correspondantes 6 de l'écran de potentiel des blocs de redresseurs 3, reliés électriquement au câble 19. Le dispositif transformateur a redresseur a' haute tension fonctionne de la façon suivante. Lors du raccordement de 1 'enroulement primaire 1 du transformateur au réseau, les bobines 11 sont parcourues par un courant qui aimante le système magnétique symétrique spatial. Le flux magnétique est alors localisé dans les noyaux toroldaux et induit un système de F.E.M. triphasé dans les sections 10 de l'enroulement secondaire 2. Les sections 20 de écran 5 entourant les trois colonnes 7 de noyaux 9 assurent l'égalisation des gradients de tension présents dans les sections 10 de ltenroulement 2, ainsi qu'entre le circuit magnétique et le corps conducteur 21 (Fig.l). On assure ainsi l'accroissement par paliers du potentiel de l'écran de potentiel 5 de haut en bas, tout le long de la colonne 7 (Fig.3) de noyaux 9. La tension alternative triphasée prélevée aux points de raccordement 26 des sections 10 du système de l'en- roulement secondaire 2 est redresséepwr les étages d'un montage en pont formé par les blocs de redresseurs 3 raccordés pour former des ponts-triphasés 24. La haute tension continue le long de l'axe de symétrie 4 du circuit magnétique accroît par paliers à partir du pont supérieur 24 (Fig.4), dont le pale 27 est mis à la terre, vers le pont inférieur 24, dont le ple 28 est raccordé au cible 19. La tension composée entre les éléments des trois colonnes verticales 7 (fig.3) de la structure spatiale ne dépasse donnas la tension redressée d'un étage, qui est de "n" fois inférieure a la tension de sortie . Gracie à la localisation des flux magnétiques dans les divers noyaux toroïdaux 9, le schéma assure une répartition régulière forcée de la tension redressée entre les divers ponts 24 (Fig.4). La sortie de puissance du dispositif est réalisée sur toute la longueur du câble 19 raccordée au pale a'- haute tension inférieur 28, le système de pales intermédiaires 30, reliés galvaniquement aux sections 6 assurent alors une répartition uniforme du potentiel a la surface de l'isolation du cabre 19. En régime nominal d'exploitation, le dispositif est caractérisé par des champs magnétiques de fuites minimaux et assure une caracteristique externe rigide, ainsi qu'une faible dépendance de la tension continue, de sortie vis-à-vis de la valeur du courant de charge. La surface développée du circuit magnétique spatial assure donc une bonne évacuation de la chaleur des sections 10 de l'enroulement secondaire 2 et des noyaux 9. En cas de percements électriques dans la charge (dans le canon électronique), l'écran mis à la terre 12 des bobines primaires Il assure un bon découplage capacitif du réseau par rapport aux phénomènes transitoires rapides se manifestant du caté de l'enroulement a' haute tension 2, ce qui assure une bonne protection du régulateur primaire du dispositif. En cas d'apparition d'un défaut intermittant dans l'une des sections 10, le dispositif transformateur a' haute tension fournit a'- sa sortie une tension invariable. Le flux magnétique n'est alors refoulé des noyaux magnétiques 9 que sur un seul étage, tandis que l'induction magnétique augmente en conséquence dans tous les autres noyaux 9 restants. Ainsi, un court-circuit éventuel de courte durée de l'une des sections 10 de l'enroulement secondaire 2 ne représente pas une anomalie pour l'ensemble du dispositif. L'invention peut être appliquée pour l'alimenta- tion de divers dispositifs électrophysiques et, en particulier, pour l'alimentation des installations technologiques à faisceau cathodiques, utilisées pour le soudage par faisceau d'électrons, pour le brasage et la coupe des métaux ainsi que pour le pompage des lasers puissants a électro-ionisation. Le dispositif transformateur à redresseurs et a haute tension présente les avantages suivants. Lorsque les sections du circuit magnétique sont réalisées avec des noyaux annulaires (torodaux) 9, on obtient une valeur minimale du courant réactif de marche à vide (moins de 5 tv). Chaque section du circuit magnétique est toujours bouclé dans le sens de laminage du matériau en tôle ou en ruban. La surface développée des noyaux isolés 9 assure des conditions convenables de refroidissement au cours du fonctionnement dans l'ambiance d'un diélectrique liquide ou gazeux. Chaque noyau 9 se trouve alors sous le potentiel du point milieu de la section correspondante 10 de l'enroulement secondaire 2.Ainsi, l'isolation de l'en- roulement secondaire 2 par rapport au noyau 9 n'est calculee que pour la moitié de la tension d'un étage, qui est de 2n fois inférieure à la tension de sortie. La carcasse isolante 8 (Fig.2), qui comporte des segments 14 de cylindres diélectriques (par exemple en verreépoxyde) avec des fentes transversales 15 (Fig.l) sert à fixer les noyaux 9. La carcasse isolante,8, (Fig.2) forme un prisme régulier à faces concaves prévues pour le découplage des structures mécaniques et isolantes du circuit magnétique spatial. Cette carcasse 8 supporte la charge mécanique, tout en présentant une surface maximale de contact des noyaux 9 avec l'agent caloporteur réfrigérant (hexafluorure de soufre ou huile de transformateur).. Ltisolation principale du circuit magnétique spatial est réduite à l'isolation du système coaxial formé par les écrans mis à la terre 12 (Fig.3) de l'enroulement primaire 1 qui entourent respectivement les paires des parties verticales de la bobine primaire à cadre 11, et au système de noyaux toroïdaux 9 avec les sections 10 de l'enroulement se condaire 2. Une telle isolation est aisément calculée et réalisée, par exemple, sous forme d'un cylindre composé de papier et de pellicules et plongé dans un dielectrique liquide, ou sous la forme d'un canal d'huile. Le système de sections 20 de l'écran de potentiel conducteur 5 de forme annulaire, entourant concentriquement toutes les colonnes 7 de noyaux 9, permet d'obtenir une structure homogène du champ électrique dans le sens radial ainsi que de normaliser par paliers le gradient du champ électrique dans la direction axiale du dispositif transformateur-redresseur. La section possédant le potentiel le plus élevé se situe dans la partie inférieure du dispositif. Etant donné que les sections toroïdales 10 de l'enroulement secondaire 2 alimentent les ponts redresseurs 24 (Fig.4) dont les bras 25 forment un système symétrique dans l'espace, on obtient d'une part une répartition forcée du potentiel le long de la ligne du bloc de redresseurs 3, et d'autre part une utilisation optimale du volume de travail. La sortie de puissance du dispositif, réalisée au moyen d'une borne a' haute tension disposée le long de l'axe 4 de symetrie du circuit magnétique spatiale, est constituée par le câble à haute tension 19 dont la tresse est enlevée et qui est entouré d'anneaux conducteurs formés par les sections 6 équidistants, avec des intervalles correspondant a' l'interstice isolant entre les noyaux 9. Ainsi, on maintient la structure axiale uniforme du champ électrique, tandis que le prélèvement de la puissance est réalisé sur toute la surface de la borne a' haute tension. En comparaison avec la solution connue, dans laquelle la structure axiale du champ électrique comporte une isolation de neutre par rapport au circuit magnétique mis â la terre et blindé, l'isolation du circuit magnétique par rap- port au pôle à haute tension-écran et l'isolation du pôle par rapport au capot, le dispositif proposé n'est calculé dans le sens asial que pour la tension entre les ples des blocs de redresseurs 3, ce qui améliore la fiabilité de l'ensemble du système. Etant donné que la disposition géométrique de l'enroulement primaire I assure une localisation du flux magnétique dans les limites du matériau ferromagnétique des noyaux 9, le champ de fuites et l'inductance de fuites deviennent treks faibles, et ne dépassent pas 3 fi en pratique. La caractéristique externe du dispositif est rigide avec une chute de tension minimale dans les intervalles de commutation des redresseurs, tandis que la consommation de puissance réactive des redresseurs est également minimale. Dans le dispositif proposé, grâce à itagencement par sections de l'enroulement secondaire 2, des blocs de redresseurs 3 et des écrans de potentiel, il n'est pas nécessaire de prévoir une isolation calculée pour la pleine tension composée. En pratique, la distance radiale d'isolation entre les colonnes 7 de noyaux 9 portant les sections 10 est déterminée par la tension composée d'un étage, qui est de n fois inférieure à la pleine tension composée du dispositif. REVENDICATIONS I - Dispositif transformateur à redresseurs et à haute tension, comportant un transformateur élévateur triphasé à circuit magnétique spatial comportant un enroulement primaire et un enroulement secondaire divisé en sections et auquel sont raccordés des blocs de redresseurs assembles selon un montage en pont, dont l'un des pôles est mis a la terre, et qui sont disposés parallèlement à l'axe de symétrie du circuit magnétique, ce dispositif comprenant également un écran de potentiel du neutre de l'enroulement secondaire et un écran de potentiel des blocs de redresseurs , reliés électriquement à la borne a' haute tension disposée selon l'axe de symétrie du circuit magnétique, caractérisé en ce que le circuit magnétique est réalisé sous la forme de trois colonnes verticales, dont chacune comporte des noyaux bouclés isolés les uns des autres et fixés dans une carcasse isolante possédant une fenêtre commune et portant des sections de l'enroulement secondaire, l'en- roulement primaire étant réalisé sous la forme de trois bobines plates rectangulaires dont les parties verticales sont disposées par peiressur 1 t axe de la fenêtre commune de chaque colonne de noyaux, le montage en pont des redresseurs étant constitué de ponts redresseurs séparés, raccordés aux sections de l'enroulement secondaire, tandis que chacun des écrans de potentiel est réalisé avec des sections annulaires disposées les unes au-dessus des autres sur la hauteur de la colonne de tuyaux. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qurilcomporte des écrans conducteurs mis à la terre réalisés sous la forme de cylindres découpés selon leur génératrice et entourant les parties verticales des bobines de l'enroulement primaire disposées par pairesdans lesdits cylindres. 3 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la carcasse isolante des noyaux est réalisée sous la forme d'un prisme dont trois faces sont concaves et formées de segments de cylindre en une matière diélectrique munis de fentes transversales qui reçoivent les noyaux annulaires avec des sections de l'enroulement secondaire, fixées dans les fentes par des supports isolants. 4 - Dispositif selon l'une quelconque des revendi- cations 1, 2 et 3, caractérisé en ce que la borne à haute tension est réalisée sous la forme d'un câble dont la tresse est enlevée et qui est dispose selon l'axe de symétrie du circuit magnétique, tandis que les sections de l'écran de potentiel des blocs de redresseurs sont montees concentriquement par rapport au câble, a sa surface. 5 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1, 2 et 3, caractérisé en ce que les sections de lté- cran de potentiel du neutre de l'enroulement secondaire sont réalisées sous la forme d'anneaux conducteurs profilés entourant les trois colonnes de noyaux.