Brevet FR2471079A1 — publié le 19810612

La présente invention concerne un générateur de courant à haute puissance aut0-stabilisée, notamment mais non exclusivement pour l'alimentation de processus faisant intervenir une décharge dans une atmosphère gazeuse raréfiée. Elle s'applique avantageusement à ltalimentation d'un four de traitement thermique ou thermochimique de métaux par bombardement ionique. On sait que de tels fours comprennent, reliées à un circuit d'alimentation en courant électrique à haute tension, une anode et une cathode qui sert de support aux pièces à traiter. Ainsi selon une première solutiont on établit entre la cathode et l'anode, une différence de potentiel telle qu'auprès une période transitoire, on se maintienne dans la zone de décharge anormale de la courbe tension intensité, propre à une décharge électrique dans le gaz contenu dans le four. Cette solution permet d'obtenir à la cathode, une dissipation importante d'énergie et, en conséquence, provoque un échauffement rapide de la pièce. Par contre, son principal inconvénient réside dans le fait qu'étant proche du régine d'arc, il se produit fréquemment des amorçages d'arc risquant de détériorer les pièces, et ce, en dépit de l'utilisation de systèmes de rupture d'arc. Une deuxième solution consiste à utiliser, au lieu d'un courant continu, des impulsions de courant à haute tension, mais dont lténergie totale a une valeur prédéterminée calculée de manière à ce qutil ne puisse pas se produire de formation d'arc, même si l'on atteint sur la courbe de décharge tension/intensité, la zone de formation d'arcs. On obtient ainsi essentiellement des ions à haute énergie cinétique et en quantité très limitée, ce qui permet d'augmenter la qualité du traitement et son homogénéité, sans entraîner une élévation excessive de température. Toutefois, l'inconvénient de ce procédé consiste en ce que la température de traitement ne s'obtient qu'au bout d'une période de temps assez longue, et que, par ailleurs, il ne convient pas pour des fortes puissances. L'invention a donc pour but de supprimer tous ces inconvénients. Elle propose à cet effet, un générateur délivrant un courant redressé à haute puissance autostabilisée,dans lequel une baisse brutale de la résistance du circuit d'utilisation se trouve compensée: - d'une part, par une augmentation correspondante de l'impédance interne du générateur, de manière à limiter le courant circulant dans le circuit d'utilisation, et éventuellement, - d'autre part, par une diminution correspondante de la puissance disponible du générateur. Pour obtenir la susdite augmentation d'impédance interne du générateur, l'invention utilise les propriétés bien connues des self inductions, et, en particulier, le fait que l'impédance Z d'une self induction varie en fonction de la fréquence du courant qui lui est appliqué selon la relation Z = Lex dans laquelle L est l'inductance et W est la pulsation du signal. A cet effet, le générateur selon l'invention comprend au moins, un onduleur à fréquence commandable relié à un circuit redresseur au moyen d'une liaison comportant en série une self induction, un dispositif de mesure qui fournit un signal représentatif du courant circulant entre ledit onduleur et ledit redresseur, et un comparateur comparant ledit signal avec un signal de référence, et qui effectue la commande de la fréquence dudit onduleur de manière à provoquer une augmentation de cette fréquence lorsque ledit signal détecté devient supérieur au signal de référence. Dans ce dernier cas, l'augmentation de la fréquence de l'onduleur entraîne une augmentation correspondante de la self iSnduction,et,en conséquence, une dimide l'intensité du courant circulant entre l'onduleur et le redresseur.La puissance fournie au circuit d'utilisation sera donc diminuée. Ainsi, dans le cas ou le circuit d'utilisation consiste en un four de traitement par bombardement ionique, le point de fonctionnement du four se trouvera stabilisé dans une zone très voisine de de la zone de formation d'un arc sans qutil puisse se produire un arc. De façon plus précise le susdit onduleur est piloté au moyen d'un dispositif de commutation commandé d'une part, lorsque le signal détecté est inférieur au signal de référence, par une horloge,et,d'autre part, lorsque le signal détecté est supérieur au signal de référence, par les impulsions délivrés par le susdit comparateur. Selon une autre caractéristique de l'invention, les signaux fournis par le susdit onduleur sont également commandables en largeur. Dans ce cas, le pilotage du susdit onduleur peut s'effectuer au moyen d'un générateur à fréquence constante et à largeur d'impulsions variable en fonction du signal d'écart fourni par le susdit comparateur. Dans les modes de réalisation précédemment décrits le susdit onduleur est alimenté au moyen d'une source de courant continu. Cette source de courant continu peut alors consister en une alimentation fonctionnant à partir du courant alternatif du secteur par exemple monophase ou triphasé. Dans ce dernier cas, selon une autre caractéristique de l'invention, on utilise une alimentation à puissance commandable pilotée en fonction de l'écart entre le susdit signal détecté et le signal de référence et/ou en fonction d'un écart entre un signal représentatif de l'intensité du courant circulant en amont de la susdite source et le susdit signal de référence. Un mode de réalisation de l'invention sera décrit ci-après, à titre d'exemple non limitatif, avec référence aux dessins annexés dans lesquels: La figure 1 est un schéma-bloc d'un générateur de courant à haute tension utilisable pour l'alimentation d'un four de traitement par bombardement ionique. La figure 2 est un diagramme représentant la courbe de l'intensité traversant la self-induction utilisée dans le générateur représenté figure 1, en fonction du temps. Avec référence à la figure 1, le générateur comprend tout d'abord une alimentation en courant continu à puissance commandable 1 fonctionnant à partir du réseau triphasé 2 et comprenant de façon classique un ensemble desixthyristors 3, montés en pont, suivi d'un filtre en L (inductance 4,capacité 5). La variation de puissance d'un tel générateur est donc obtenue en faisant varier l'angle de conduction des thyristors 3. La tension continue fournie par ce générateur 1 est transmise à un pont onduleur 6 formé d'un ensemble de quatre thyristors Thl, Thz, Th3, Th4, montés en pont et pilotés au moyen d'un système de commutation qui sera décrit ci-après. Cet onduleur 6 est relié, par sa sortie, au primaire 7, d'un transformateur 8, au moyen d'un circuit comprenant, en série une self-induction 9 et un détecteur 10 pour la mesure de l'intensité traversant le circuit. Le secondaire 11 du transformateur 8 est relié par sa sortie à plusieurs rapports commutables, à un redresseur 12 en pont qui alimente en courant redressé un four de traitement thermochimique par bombardement ionique 13. Le signal fourni par le détecteur 10 sous forme d'une tension est transmis à un comparateur 14 qui reçoit par son autre entrée une tension de référence Vref. Ce comparateur 14 est plus particulièrement conçu pour émettre un signal d'écart entre le signal de référence Vref et le signal détecté lorsque ce dernier devient supérieur au signal de référence. La sortie du comparateur 14 est reliée à un commutateur 15 destiné à aiguiller le signal d'écart vers l' un ou l'autre de deux circuits de commande de l'onduleur 6, à savoir: Un premier circuit permettant d'obtenir à la sortie de l'onduleur 6 un courant alternatif de fréquence variable en fonction du signal d'écart, et Un second circuit permettant d'obtenir, à la sortie de l'onduleur, un courant dans lequel les demi-alternances sont de largeurs variables en fonction du signal d'écart. Le premier circuit comprend une bascule bistable 16 dont l'entrée est reliée d'une part, à une horloge 17, et, d'autre part, à l'une des bornes (borne 18) du commutateur 15. Cette borne 18 est par ailleurs reliée à un dispositif de commande intégré à l'horloge 17 qui interrompt celle-ci lors de l'émission d'un signal d'écart par le comparateur 14. La borne q de la bascule bistable 16 commande l'amour çage des thyristors Th1 et Th2 par l'intermédiaire d'un circuit de commande appropriée 20. Par ailleurs, la borne q effectue la commande des thyristors Th3 et Th4, par l'intermédiaire d'un circuit 3 de commande 21 analogue au circuit 20 et d'un dispositif de commutation 22 déconnectant la sortie q lors du fonctionnement du second circuit (commutateur 23). Le second circuit comprend un générateur d'impulsions 24 de largeur variable dont la sortie est reliée au circuit de commande 20 des thyristors Th1 et Th2, par l'intermédiaire d'un commutateur 25. Ce générateur 24 peut être commandé (commutateur 24') soit par une tension variable pouvant par exemple provenir d'un dispositif de régulation 26 extérieur, soit par une tension résultant de l'intégration du signal d'écart et qui est fourni par un intégrateur 27 effectuant la liaison entre les bornes 28 et 29 des commutateurs 15 et 24eo Le fonctionnement du dispositif précédemment décrit peut alors s'énoncer comme suit: I.- Dans le cas ou le circuit est commuté pour un fonctionnement de l'onduleur 10 à fréquence variable, et dans le cas où le signal d'écart émis par le comparateur 14 est nul, ce qui correspond à un fonctionnement normal du four, en l'absence de formation d'arcs, horloge 17 pilote la bascule bistable 16 qui passe alternativement de l'état q à q et inversement.En conséquence, les dispositifs de commutation 20, 21 commandent successivement l'amorcage et le desamorgage des deux groupes de thyristors Th19 Th2 et Th3, Th4 à la fréquence imposée par l'horloge 17. Dans le cas où la tension délivrée par le détecteur 10 devient supérieure à la tension de référence Vref, ce qui se produit lors de la formation d'un arc, le comparateur 14 fournit une tension impulsionnelle qui, à la première impulsion désactive l'horloge 17 et provoque le bas-culement du bistable 16. il s'établit donc un circuit de contre-réaction qui se substitue à horloge 17 pour le louage de l'onduleur 6, tant que la tension délivrée par le détecteur 10 s'élève au-dessus de la tension de référence. Ce fonctionnement se trouve illustré dans le diagramme représenté figure 2 dans lequel. La courbe 31 représente l'intensité en fonction du temps du courant traversant la self-induction 9, au cours d'un fonctionnement normal sans formation d'arc. Les demialternances positives correspondent aux périodes T de conduction des thyristors Th1 et Th2 tandis que les demialternances négatives T' correspondent aux périodes de conduction des thyristors Th3 et Th4-(T=Tt). La courbe 32 représente l'intensité en fonction du temps du courant traversant la self-induction, lors d'une formation d'un arc. On constate que lors de la formation d'un arc, au cours de la première demi-alternance, le courant croît (linéairement) plus rapidement qu?en fonctionnement normal et atteint, après avoir dépassé la valeur Inom, la valeur Iref (correspondant à Vref), au bout d'un temps inférieur à la période T. Lorsqu'il atteint Vref, le comparateur 14 émet une impulsion I1, qui déconnecte l'horloge et, en provoquant le basculement du bistable 16, inverse l'état de conduction des thyristors Th1, Th2, Th3, Th4, de l'onduleur. La demi-alternance positive se sera donc maintenue pendant une période T1 inférieure à T.Si la formation de l'arc se poursuit, pendant la demi-alternance négative qui suit, le courant, va à nouveau croître rapidement dans la self-induction 9 et une nouvelle commutation se produira au bout d'une période T2, lorsque le comparateur 14 aura émis une impulsion I2. Ce processus se poursuivra donc (périodes T3, T4, T5, impulsions I3, I4, I5). Tant que le courant traversant la self 9 s'élèvera au-dessus du courant Iref. En conséquence, au cours de la formation d'un arc, la fréquence du courant émis par onduleur 6 s'accroît, ce qui entraîne en conséquence une augmentation correspondante de l'impédance de la self 9. Cette augmentation d'im pédance s'opposera à l'accroissement de l'intensité passant au travers de la self 9 et diminuera en proportion la puissance disponible transmise par le redresseur 12. L'établissement d'un arc pourra donc être ainsi évité. II.- Dans le cas où le circuit est commuté de manière à ce que onduleur 6 fournisse un courant dans lequel les demi-alternances sont de largeur variable , on utilisera une paire de thyristors de l'onduleur, par exemple les thyristors Th1 et Th2 en commutation forcée, les thyristors Th3 et Th4 étant alors pilotés par commutation naturelle. Dans ce cas, le circuit de commutation 20 associé aux thyristors Th1 et Th2 est piloté par le générateur -de signaux de durée variable 24, commandé soit par le processus extérieur 26 associé au four de traitement thermique 13 et pouvant tenir compte de la nature et de la forme des pièces à traiter, ou bien par un signal résultant de l'intégration du signal d'écart fourni par le comparateur 14. Dans ce dernier cas, l'émission d'un signal d'écart provoquera une diminution correspondante des demi-alternances émises par l'onduleur 6. L'efficacité des circuits précédemment décrits peut en outre être complétée par un dispositif permettant de réduire la puissance du générateur lors de la formation d'un arc. Ce dispositif utilise un détecteur 33 pour la mesure de l'intensité du courant d'alimentation du redresseur thyristors 3. Ce détecteur 33 fournit une tension à un comparateur 34 qui reçoit, par sa deuxième entrée, la tension de référence Vref et qui transmet le résultat de cette comparaison à un dispositif de commutation 35 pilotant les thyristors 3 du redresseur. Ce dispositif de commutation 35 reçoit également un signal d'écart fourni par un comparateur 36 similaire au comparateur 14, mais à temps de réponse plus long, qui reçoit respectivement sur ses deux entrées la tension fournie par le détecteur 10 et la tension de référence Vref. Par ailleurs, le comparateur 36 peut en outre recevoir une information sur la fréquence de l'onduleur, cette information pouvant se substituer aux tensions d'écart fournies par les comparateurs 36 et 14 pour commander la puissance délivrée par le redresseur 3. En fonction de ces paramètres le dispositif de commutation pourra donc modifier l'angle de conduction des thyristors 3 pour diminuer la puissance du courant redressé lorsqu'il se produit un amorçage d'arc. REVENDICATIONS 10- Générateur de courant à haute tension auto stabilisé, notamment pour l'alimentation d'un processus faisant intervenir une décharge dans une atmosphère gaseu- se raréfiée, caractérisé en ce qu'il comprend: -au moins, un onduleur à fréquence commandable relié à un circuit redresseur au moyen d'une liaison comportant en série une self induction, un dispositif de mesure qui fournit un signal représentatif du courant circulant entre ledit onduleur et ledit redresseur, et un comparateur comparant ledit signal avec un signal de référence, et qui effectue la commande de la fréquence dudit onduleur de manière à provoquer une augmentation de cette fréquence lorsque ledit signal détecté devient supérieur au signal de référence. 2.- Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le susdit onduleur est piloté au moyen d'un dispositif de commutation commandé d'une part, lorsque le signal détecté est inférieur au signal de référence, par une horloge, et d'autre part, lorsque le signal détecté est supérieur au signal de référence, par les impulsions délivrées par le susdit comparateur. 3.- Générateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les signaux fournis par'le susdit onduleur sont commandables en largeur, et en ce que, dans ce cas le pilotage du susdit onduleur peut s'effectuer au moyen d'un générateur à fréquence constante et à largeur d'impulsions variable en fonction du signal d'écart fourni par le susdit comparateur. 4.- Générateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le susdit onduleur est alimenté à partir d'une source de courant continu à puissance commandable. 5.- Générateur selon la revendication 4, caractérisé en ce que la puissance de ladite source de courant est pilotée en fonction de l'écart entre le susdit signal détecté et le signal de référence et/ou en fonction d'un écart entre un signal représentatif de l'intensité du courant circulant en amont de la susdite source et le susdit signal de référence. 6.- Générateur selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que ladite source de courant fonctionne à partir du courant alternatif du réseau,et comprend un redresseur à thyristors montés en pont, éventuellement suivi d'un filtre classique, la variation de puissance de la source étant alors obtenue en faisant varier l'angle de conduction des thyristors. 7.- Générateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le susdit onduleur comprend un ensemble de quatre thyristors montés en pont. 8.- Générateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le susdit comparateur 14 est relié à un circuit comprenant une bascule bistable 16 dont l'entrée est reliée d'une part, à une horloge 17, et, d'autre part, à l'une des bornes (borne 18) d'un commutateur 15 connecté au comparateur 14, en ce que la borne 18 est reliée à un dispositif de commande intégré à l'horloge 17, qui interrompt celle-ci lors de l'émission d'un signal d'écart par le comparateur 14, en ce que la borne q de la bascule bistable 16 effectue la commande des thyristors Th1 et Th2 par l'intermédiaire d'un circuit de commande 20 et en ce que la borne q de la bascule bistable 16 effectue la commande des thyristors Th3, Th4, par l'intermédiaire d'un circuit de commande 21. 9.- Générateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qusil comprend un circuit comportant un générateur d'impulsion 24 de largeur variable dont la sortie est reliée au circuit de commande 20 des thyristors Th1 et Th2, ce circuit pouvant être commandé soit par une tension variable pouvant provenir d'un dispositif de régulation 26 extérieur, soit par une tension résultant de l'intégration du signal d'écart délivré par le comparateur 14.