Brevet FR2441948A1 — publié le 19800613

L'invention a pour objet un convertisseur d'énergie électrique, notamment pour la soudure. L'objet de l'invention se rattache au secteur technique de 1' lectricité notamment à la production, conversion ou distribution de énergie électrique et plus particulièrement aux appareils de transformation de courant continu en courant alternatif. Actuellement, dans les dispositifs connus de soudure lectri- que, un transformateur classique génère la tension et l'intensité nécessaires à l'entretien de l'arc de soudage. Les différents réglages steffectuent par plusieurs moyens distincts parmi lesquels on note - variation des fuites du circuit magnétique, - variation du rapport de transformation, - réglage de l'intensité secondaire. Concernant le règlage de l'intensité du circuit secondaire, on peut employer des thyristars et agir sur l'angle de phase, ou bien employer un onduleur qui nécessite malgré tout l'emploi d'un transformateur engendrant des inconvbnients importants : Outre le poids élevé, se produisent des pertes et un échauffement non n4gligeables. Le rendement est mauvais de l'ordre de 0,5 b 0,7. De plus, il n'y a pas de contrôle de l'arc et on ne peut procéder b un règlage précis. Selon l'invention, on remédie à ces inconvénients en supprimant notamment le transformateur classique d'où un gain de poids important, et une diminution notoire de 1'échauffement et des pertes. On supprime également les perturbations sur le secteur et on a la possibilité de contrôler l'arc de soudage avec un règlage très précis. D'autre part, outre une très grande fiabilité du convertisseur, on obtient un rendement voisin de l'unité. Le convertisseur réalisé selon l'invention, peut fonctionner soit en onduleur autonome, soit en commutation forcée sur une char ge dynamique pouvant varier de zéro à l'infini gA grâce b un stockage partiel de l'énergie fournie à la charge dans un circuit magnétique de transfert. Suivant une première caractéristique, il comprend un circuit magnétique de transfert branché entre le point milieu d'un pont de condensateurs et le point milieu d'un mutateur en pont constitué de deux thyristors reliés par deux bobines d'inductances branchées en série et couplées par induction sur un même circuit magnétique, de deux diodes montées en anti-parallèle sur les thyristors et le point milieu des deux bobines d'inductance, et de deux condensateurs, respectivement en parallèle sur les dites diodes, les extrémités du pont de condensateurs et de mutateur étant reliées par deux inductances ; le circuit ainsi défini étant alimenté par le secteur redressé avec ou non un multiplicateur de tension ; un moyen de protection étant monté entre la sortie du moyen redresseur et le dit circuit onduleur, tandis que, d'une manière connue, un multipole assure la commande des thyristors. Une autre caractéristique réside dans le fait que le circuit magnétique de transfert se compose de deux anneaux de ferrite avec respectivement un noyau central, les dits anneaux sont superposés de sorte que les noyaux centraux sont eux-mêmes superposés pour autoriser le bobinage du circuit primaire et du circuit secondaire. Les deux anneaux de ferrite sont de dimensions différentes pour permettre le réglage des fuites magnétiques. Ces caractéristiques et d'autres encore ressortiront de la suite de la description. Pour fixer l'objet de l'invention, sans toutefois le limiter, dans les dessins annexés La figure 1 montre le schéma électrique de principe du convertisseur selon l'invention. La figure 2 est une vue en perspective, partiellement coupée, illustrant le circuit magnétique de transfert ; l'enroulement secondaire n'est pas illustré. La figure 3 est une vue en plan du circuit magnétique de transfert. La figure 4 montre par une vue en plan, sous forme de schéma de principe, la réalisation des deux bobines du mutateur en pont. Afin de rendre plus concret l'objet de l'invention, on le décrit maintenant d'une manière non limitative en se référant aux exemples et formes de réalisation illustrées par les figures des dessins. On voit, figure 1, que le convertisseur réalisé selon l'invention, comporte, d'une manière importante, un circuit magnétique de transfert T. L'enroulement primaire NI de ce circuit magnétique de transfert, est branlé entre le point milieu a d'un pont de condensateurs C1 et C2,/le point milieu b d'un mutateur en pont désigné dans son ensemble par M. Le mutateur en pont M est constitué de deux thyristors Thi et Th2 reliés par deux bobines d'inductances B1 et B2 branchées en série et couplées par induction sur un même circuit magnétique. Le point milieu de ces deux bobines d'inductances B1 et B2 correspond au point b du mutateur en pont. Deux diodes Dl et D2, sont respectivement montées en antiparallèle sur les thyristors Thl et Th2 et le point milieu b des deux bobines d'inductances B1 et B2. L'anode et la cathode de la diode D2 sont respectivement relis à la cathode de Th2 et au point milieu b, tandis que l'anode et la cathode de la diode D1 sont respectivement reliées à l'anode de Thl/au point milieu b. En parallèle sur les deux diodes D1 et D2 sont montés deux condensateurs C3 et C4. Les extrémités c-f et d-e du pont de condensateurs et du mutateur en pont, sont reliés respectivement par les inductances LI et L2. Le circuit ainsi défini est alimenté par un pont redresseur R parfaitement connu par l'homme de l'art, et branché aux bornes du secteur Se monophasé cas du schéma de la figure 1) ou triphasé. D'une manière particulièrement avantageuse, on peut employer un multiplicateur de tension pour obtenir une tension redressée beaucoup plus importante. Par exemple pour un circuit monophosé, on emploiera un tripleur de tension et pour un circuit triphasé un doubleur de tension. Comme le montre toujours la figure 1, un moyen de protection P est monté entre les bornes d'entrée c et d du circuit onduleur et les bornes de sortie g et h du redresseur R. D'une manière préférée, ce moyen de protection comprend, branché A la sortie h du redresseur R, deux bobines d'inductances B3 et B4 branchées en série et enroulées en sens inverse sur le même noyau. Deux condensateurs C6 et C7 sont branchés respectivement entre la sortie q du redresseur et le point milieu 1 des deux bobines B3 et B4 et la sortie m de la bobine B4. Les deux bobines d inductance ont un nombre de spires différent. Un multipole Q, faisant office de logique de commande, a ses entrées E reliées aux points c et a,/tandis que les deux sorties Si sont reliées respectivement aux gâchettes des thyristors Thl et Th2, pour assurer la commande de la partie onduleur. On note que cette logique de commande est de tout type connu et approprié et est fonction du domaine d'utilisation. Il est bien évident que les entrées du multipole peuvent être reliées à d'autres points test, par exemple en m, e, e', f, f' etc... On assimile le multipole Q à une boite noire renfermant intérieurement tous organes nécessaires à la commande désirée. D'une manière importante, le circuit magnétique de transfert T est conformé pour stocker une partie de l'énergie et pour transférer l'autre partie dans la charge quand celle-ci est branchée aux bornes du circuit N2. Ainsi, lorsque la charge est égale à zéro ou à l'infini, le circuit magnétique de transfert T fonctionne alors que dans un transformateur classique, il fonctionne soit à vide soit en court circuit. A cet effet, et comme montré par les figures2 et3 des dessins, le circuit magnétique de transfert T se compose de deux anneaux de ferrite 1 et2 avec respectivement un noyau central 11 et 21. Les deux anneaux 1 et 2 sont superposés de manière à ce que leurs noyaux centraux soient eux-mêmes superposés, pour permettre le bobinage du circuit primaire N1 et du circuit secondaire N2. Dt une manière préférée, quoique non limitative, l'enroulement primaire NI est formé de cinq spires, tandis que l'enroulement secondaire N2 a deux spires, ces deux enroulements étant bobinés autour des deux, noyaux superposés. Dans l'exemple illustré, les deux anneaux de ferrite sont respectivement formés d'un double E dont les branches ouvertes sont disposées en regard. De plus, pour autoriser le règlage des fuites magnétiques, les deux anneaux de ferritelet2peuvent être de dimensions différentes. On voit figure 4, que les deux bobines d'induction B1 et B2 branchées en série, sont enroulées en sens inverse sur le même circuit magnétique pour limiter l'intensité dans les thyristors Thl et Th2. En effet, à cause des variations de la charge, l'intensité est très importante dans les thyristors Thlet Th2 quand les deux bobines d'inductance sont enroulées dans le même sens. Dans l'exemple illustré, les deux bobines sont enroulées sur un même noyau d'un circuit magnétique Ma formé par un double E dont les branches ouvertes sont disposées en regard. Le fonctionnement du convertisseur ainsi défini est le suivant: - L'allumage du thyristor Thi par la logique de commande Q crée un courant i (traits continus, figure 1) qui s'établit dans le circuit magnétique de transfert T, l'inductance L et la bbbine d'inductance B1. Ce couranticroit et passe par un maximum. L'énergie est transférée du condensateur de commutation C1 dans le circuit magnétique de transfert T, l'inductance L et la bobine d'inductance B1, ainsi que dans la charge lorsque celle-ci est branchée aux bornes i et k de l'enroulement secondaire du circuit magnétique de transfert T. Le courant i décroit et charge le condensateur C1 en inverse (tension aux bornes de C1 positive), le condensateur C1 étant chargé par l'énergie transférée de T1, LI et B1 et dans la charge. L'intensité du courant i s'annule puis s'inverse (traits interrompus, figure 1), la diode D1 entrant en conduction. Le courant croit et l'énergie restante dans le condensateur CI est transférée dans le circuit magnétique de transfert T, l'inductance L1 et éventuellement la charge. Ensuite le courant i s'inverse, passe par un maximum et décroît. L'énergie restante recharge le condensateur C1 en direct (énergie restante transférée en CI, état initial). On note que le temps de conduction de la diode Dl doit être suffisamment long pour permettre l'extinction de Thl. Ce temps correspond à la décharge du condensateur CI chargé en inverse et est déterminé par la valeur de l'inductance de T et de LI. il en résulte une valeur de couplage du circuit magnétique da transfert T relativement lache, et fonction du temps d'extinction des thyristors. Il faut que le condensateur CI soit suffisamment chargé en inverse, ceci étant obtenu quelle que soit la charge aux bornes du secondaire de T, par la répartfflHnnde l'énergie entre T et la charge. L'induction de T et de LI détermine une constante de temps (temps d'extinction des thyristors) assez longue. Le thyristor Th2 peut alors être allumé dès que le temps de conduction de la diode D1 aura entraîné l'extinction de Thl. On ne décrit pas le cycle de charges et de décharges du thyristor Th2 qui est identique en tous points au cycle précédemment étudié du thyristor Thl. Il faut considérer que des capteurs, non représentés, et de tout type connu et approprié sont reliés aux bornes des deux thyristors Thl et Th2 et aux bornes d'entrée E de la logique de commande Q. Ces capteurs s'avèrent particulièrement importants pour augmenter la puissance et permettre son réglage en intensité. De même, un condensateur C5 est branché entre le point milieu a du pont de condensateurs C1 et C2 et l'entrée de la logique de commande Q. Ce condensateur C5 iit office de capteur pour mesurer les variations de tension. La sécurité active du système est assurée au moyan d'un capteur, non illustré, branché au point m, sortie de moyen de protection P, et une entrée de la logique de commande. Ainsi réalisé, le convertisseur selon l'invention remplace dans pratiquement tous les cas les transformateurs classiques i notamment les transformateurs de soudure (arc ou résistance), d' électrolyse, d'alimentation stabilisée, de charge de batterie, de commande des moteurs etc..., et plus généralement dans tous les cas où les variations dynamiques de charge sont susceptibles d' entraîner la destruction du transformateur. Les avantages ressortent bien de la description, en particulier on souligne, en plus de ceux indiqués dans le préambule. Le réglage de la puissance par les trois systèmes différents utilisés soit séparément, soit simultanément, à savoir - le moment de mise en conduction des composants actifs Thl et Th2 par rapport à la charge des condensateurs de commutation C1 et C2, - la commande de la valeur des inductances L1 et L2 par variation d'un courant annexe de magnétisation, - la variation de la fréquence. La bique de commande rend l'appareil autoadaptatif à sa charge de sortie. En effet, la logique, commandée par la variation de la tension aux bornes des condensateurs de commutation C1 et C2 règle la fréquence de la partie onduleur en fonction de la charge de sortie. Elle permet, d'autre patt, le règlage de la puissance de sortie en faisant varier le point de mise en conduction des thyristors Thl et Th2 par rapport à la charge des condensateurs de commutation CI et C2. La rapidité de réponse permet un fonctionnement en temps réel quelle que soit la rapidité de variation de la charge. L'invention ne se limite aucunement à celui de ses modes d'application non plus qu'à ceux des modes de réalisation de ses diverses parties ayant plus spécialement été indiquées ; elle en embrasse au contraire toutes les variantes. REVENDICATIONS -1- Convertisseur d'énergie électrique, notamment pour le soudage, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit magnétique de transfert branché entre le point milieu d'un pont de condensateurs et le point milieu d'un mutateur en pont constitué de deux thyristors reliés par deux bobines d'inductances branchées en série et couplées par induction sur un même circuit magnétique, de deux diodes montées en anti-parallèle sur les thyristors et le point milieu desdeux bobines d'inductance, et de deux condensateurs respectivement en parallèle sur les dites diodes, les extrémités du pont de condensateurs et du mutateur étant reliées par deux inductances le circuit ainsi défini étant alimenté par le secteur redressé avec ou non un multiplicateur de tension ; un moyen de protection étant monté entre la sorYb du moyen redresseur, et le dit circuit onduleur, tandis que, d'une manière connue, un multipole assure la commande des thyristors. -2- Convertisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit magnétique de transfert se compose de deux anneaux de ferrite avec respectivement un noyau central, les dits anneaux sont superposés de sorte que les noyaux centraux sont eux-mêmes superposés pour autoriser le bobinage du circuit primaire et du circuit secondaire. -3- Convertisseur selon les revendications 1 et 2 ensemble, caractérisé en ce que l'enroulement primaire du circuit magnétique de transfert comporte peufespires, l'enroulement secondaire également; les deux anneaux de ferrite pouvant être ' de dimensions différentes pour le règlage des fuites magnétiques. -4- Convertisseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les deux bobines d'inductances du mutateur en pont, sont enroulées en sens inverse sur le même circuit magnétique pour limiter l'intensité de courant dans les thyristors. -5- Convertisseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le moyen de protection comprend, branchées à l'une des sorties du moyen redresseur, deux bobines d'inductances montées en série et enroulées en sens inverse sur le même noyau, deux condensateurs étant respectivement branchés entre l'autre sortie du moyen redresseur et le point milieu des deux bobines et leur sortie. -6- Convertisseur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les deux bobines ontui nombre de spires différent. -7- Convertisseur selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que les anneaux de ferrite du circuit magnétique de transfert sont formés chacun d'un double E dont les branches ouvertes sont disposées en regard. -8- Convertisseur selon la revendication 4, caractérisé en ce que le circuit magnétique des deux bobines du mutateur en pont est formé par un double E dont les branches ouvertes sont disposées en regard, les bobines étant enroulées en sens inverse sur le noyau central ainsi formé. -9- Convertisseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le schéma électrique de principe est confaL me à celui illustré à la figure 1 des dessins. -10- Convertisseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que des capteurs, branchés aux bornes des deux thyristors, du point milieu du pont de condensateurs, envoient leurs informations à la logique de commande, pour augmenter la puissance et permettre un règlage en intensité.