Brevet FR2531585A1 — publié le 19840210

Mbntage pour produire et transmettre des impulsions de haute puissance, et son procédé de -fonctionnement. La présente invention concerne un montage pour produire et transmettre des impulsions de haute puissance, notamment dans des installations de fusion de plasma, dans lequel une inductivité d'accumulation est reliée d'une part, par un élément interrupteur, à une source de courant continu et, d'autre part par un condensateur jouant le rôle d'accumulateur intermédiaire, à une inductivité de charge pour déclencher des impulsions, et des soupapes à semi-conducteurs sont utilisées pour commander le déclenchement, ainsi que son procédé de fonctionnement. Un tel montage-dans lequel de l'énergie électromagnétique peut être accumulée dans le champ magnétique d'une inductivité accumulatrice et être prélevé en relativement peu de temps sous la forme d'impulsions à haute puissance pour chauffer un plasma dans un réacteur à fusion, est connue par le brevet allemand 2.461.245. Dans ce montage, un condensateur volant est monté en condensateur série dans l'une des lignes de liaison entre l'inductivité d-'accumulation et l'inductivité de charge. De chaque côté du condensateur est monté, en parallèle sur chaque inductivité un thyristor permettant de court-circuiter les inductivités dans un sens du courant. Le processus de transmission de l'énergie de l'inductivité d'accumulation à l'inductivité de charge destinée à déclencher les impulsions est provoqué par l'ouverture d'un interrupteur qui est en parallèle sur l'ïnductivité d'accumulation et forme à l'état fermé, avec elle, le circuit d'accumulation dans lequel circule un courant continu accumulé. En amorçant et désarmoçant alternativement les thyristors, on relie alternativement le condensateur dont la capacité d'accumulation est faible par rapport à l'inductivité d'ac cumulation, à l'inductivité d'accumulation ou de charge, et il se charge et se décharge dans les circuits oscillants ainsi formés.Par suite, le condensateur transmet l'énergie é lectromagnétique emmagasinée par petites protions, grâce à son champ électrique, de l'inductivité d'accumulation à l'inductivité de charge sur laquelle et elle peut être prEle- vée, par exemple, au moyen d'un circuit secondaire. Les thyristors utilisés dans le montage, mais en particulier le thyristor monté en parallèle intercalé entre condensateur et inductivité d'accumulation, imposent des conditions de montage sévères en ce qui concerne la sécurité de désarmorçage et de commutation. Ainsi, le condensateur doit, en partant d'une faible tension de charge négative, pro voquer par décharge dans ce thyristor en parallèle un passage par zéro, c' est-à-dire un courant de décharge correspondant au courant d!accumulation,nour que le thyristor puisse reprendre son pouvoir de blocage pendant le temps de recouvrement après commutation. Pour cette raison, l'inductivité de fuite ne doit pas dépasser une valeur-limite déterminée, pour une capacité prédéterminée. Il se pose un autre problème lors du fonctionnement de 17 interrupteur qui forme le circuit d'accumulation avec l'inductivité d'accumulation du circuit d'accumulation, ou d'un interrupteur qui relie une source de courant continu destinée à charger Le circuit d'accumulation à l'inductivité d'accumulation. Du. fait, qu'un tel interrupteur ne peut être ouvert, au début de la transmission d'énergie à l'inductivité de charge, qu'au cours d'un passage par zéro du courant, il faut un circuit de désarmorçage supplémentaire qui compense pour une brève durée, par exemple à l'aide d'une décharge de condensateur, le courant d'accumulation passant par l'interrupteur. Le condensateur fonctionnant en accumulateur intermédiaire ne peut jouer ce rôle dans le montage connu. En conséquence, l'invention a pour objet un montage destiné à produire des impulsions à haute puissance, qui d'une part soit irréprochable en ce qui concerne la commutation des soupapes de redressement utilisées et dans lequel, d'autre part, l'accumulateur intermédiaire capacitif puisse etre utilisé en même temps comme condensateur de désamorçage pour l'interrupteur principal du circuit d'accumulation. Pour atteindre cet objectif, selon l'invention, ce montage comporte parallèlement à l'inductivité d'accumulation une première branche comprenant un montage-série du condensateur, de linductivité de charge et d'une soupape de commutation, et une seconde branche, avec une soupape de rouelibre, montée en parallèle sur la première branche, tandis qu'une soupape d'inversion est montee en antiparallèle sur la soupape roue-libre et qu'une seconde soupape d'inversion est montée en antiparallèle sur la soupape de commutation. On va décrire à présent le montage selon l'invention, ainsi que son fonctionnement, sur des exemples d'exécution non limitatifsss en regard du dessin annexé dont la figure 1 représente un agencement de montage avec montage antiparallèle direct de diodes et thyristors dans la première branche, pour déclencher des impulsions bipolaires la figure 2 représente un autre exemple de réalisation destiné à déclencher d-es impulsions unipolaires, dans lequel la première branche comprend une diode montée antiparallèlement à un montage-série, comprenant un thysristor et une inductance de charge la figure 3 représente un autre exemple d'exécution préféré comportant, comme source de courant continu, un bloc de secteur triphasé commandée la figure 4 représente la variation avec le temps des courants dans la première branche et la seconde branche d'un montage selon la figure 1, Dans l'exemple de-réalisation du montage selon l'invention représenté sur la figure 1, une source de courant continu 23 est reliée par un élément interrupteur 22 à une inductivité d'accumulation 18. Un condensateur 12, une inductivité de charge 17. et une soupape de commutation commandée 9 sont montées en série dans une première branche, en parallèle sur l'inductivité 18. Une seconde branche comportant une soupape de roue-libre 8 est également montée en parallèle sur la première branche.Une première soupape d'inversion commandée 7 est montée en antiparallèle sur la soupape roue-libre 8. Une seconde soupape d'inversion 10 est montée en antiparallèle exclusivement su la soupape de commutation 9. La soupape roue-libre 8 et la soupape de commutation 9 sont disposées dans le même sens et dans le sens de blocage par rapport à la.polarité de la source de courant continu 23. Les soupapes commandées 7, 8 et 9 pour lesquelles on peut utiliser, par exemple, des thyristors de puissance, reçoivent leurs signaux de commande dans un ordre approprié, par l'intermédiaire de lignes de commande non représentées, d'un système de commande électronique que l'on n'a pas représenté sur le dessin pour des raisons de clarté et dont le montage peut être réalisé par tout spécialiste, selon des principes connus. On peut d8crire.àà titre d'exemple le fonctionnement du montage de la figure 1 en regard des courbes de courant représentées -sur la figure 4. Le fonctionnement se déroule à partir d'un état initial dans lequel, à la suite dune phase de démarrage assez longue, la source de courant continu 23 fait passer par l'intermédiaire de l'interrupteur 22 fermé un courant d'accumulation stationnaire id à travers l'inductivité d'accumulation 18. Le condensateur 12 est chargé à un niveau de tension déterminé avec la polarité indiquée sur la figure 1.La charge peut etre effectuée, par exemple, par la source de courant continu 23, par l'intermédiaire de la seconde soupape d'inversion 10, ou par un bloc d'alimentation secteur séparé, non représenté, relié directement au condensateur et séparé du montage après l'achèvement du processus de charge. Les soupapes commandées 7, 8 et 9 ne reçoivent pas d'impulsions de commande au cours de cet intervalle initial, c'est-à-dire qu'elles sont bloquées et empêchent donc le courant de passer dans la première branche et la seconde branche, en parallèle sur l'inductivité d'accumulation 18. L'énergie, que lton peut prélever de façon discrète sous forme d'impulsions haute fréquence sur le montage, est emmagasinée à cet instant exclusivement dans le champ magnétique de l'inductivité d'accumulation 18, qui est maintenu par le courant d'accumulation id. La phase de restitution qui suit est déclenchée selon la figure 4 à l'instant-tO par l'amorçage de la soupape de commutation 9. La charge du condensateur 12 précédemment chargé s inverse par l'intermédiaire de l'inductivité de charge 17, de la soupape de commutation amorçée 9, de l'élément interrupteur fermé 22 et de la résistance interne de la source de courant continu 23. Le courant du condensateur ic qui circule alors a une allure sinusofdale en raison du caractère oscillant du montage. La période et l'amplitude du courant du condensateur sont déterminées par les grandeurs électriques des éléments participant au processus de transfert de charge.Au cours de la première demi-onde du courant ic qui apparaît négative sur la figure 4 selon la fixation des sens des courants effectuée sur la figure 1, le courant du condensateur se superpose au Courant d'accumulation id en s'en retranchant, en raison des polarités du condensateur et de la source de courant continu.En choisissant -judi- cieusement les paramètres de montage, on peut obtenir pour résultat que l'amplitude de ic dépasse, comme on l'a représenté Rur la figure 4, la valeur du courant dvaccumu- lation id représenté en tirets Dans ce cas, au cours de la première demi-onde du courant du condensateur ic, il se produit au moins un passage par zéro du courant dans-l'in- terrupteur 22, et celd à l'instant tq où les deux courants superposés sont exactement égaux et opposés L'interrupteur 22, par exemple un interrupteur statique à semi-conducteurs, peut s'ouvrir sans difficultés à l'instant t1 de ce passage par zéro de sorte qu'au cours de la suite du processus de restitution la source de courant continu 23 est séparée du reste du montage. Pour permettre au courant du condensateur ic notamment de continuer à circuler sans obstacles, la première soupape d'inversion 7 s'ouvre en même temps à l'instant ti sous l'action d'-une impulsion de commande provenant du système électronique de commande. Il circule alors dans la seconde branche que l'on peut aussi appeler branche de roue-libre 7 un courant libre if qui est lié selon la loi des noeuds, d'après la disposition de la figure 1, aux courants ic et id parl'équation if = ic = id. Du fait qu'en première approximation on peut considérer comme constant le courant d'accumulation id au cours de la courte période d'inversion du condensateur, ic et if ne diffèrent > comme le montre la figure 4, que de la grandeur constante id. Le courant libre if passe à l'instant t2 par zéro et le courant du condensateur ic atteint le niveau du courant d'accumulation id, après qu'ils soient tous deux passés par un maximum. La tension du condensateur a changé de signe à ce maximum, de sorte que le condensateur 12 est déjà champ gé à l'instant t2 avec une polarité qui est opposée à la polarité intitiale indiquée sur la figure 1. Du fait que la soupape roue-libre 8 est aussi, en outre, bloquée, il passe à partir de l'instant t2 la totalité du courant d'accumulation id sous forme de courant de condensateur par la première branche. Au cours de cette phase, ic est, par suite, constant et porté sous forme de droite horizontale sur la figure 4.La tension de charge du condensateur 12 augmente inévitablement, jusqu'a ce qu'elle atteigne une valeur déterminée à l'instant t3. A l'instant t3, une autre impulsion de commande amorce la soupape de roue-libre 8 et la tension du condensateur fait passer un courant de condensateur i c par la première branche et la seconde, qui désamorce d'abord, par le passage par zéro forcé, la soupape de commutation 9 et continue à circuler par la seconde soupape d'inversion 10 non-commandée. Le condensateur commute par l'intermEdiai- re des soupapes 8 et 10 et atteint de nouveau à l'instant t4 l'état pret à l'amorçage pour le processus de commutation suivant. Le cycle d'inversion décrit avec accumulation capacitive intermédiaire peut se poursuivre jusqu'à ce que le courant d'accumulation i circulant dans l'inductivité a d'accumulation 18 s'annule sous l'effet du prélèvement d'énergie commandé ou de l'amortissement naturel. Du fait que le courant du condensateur i c circule aussi constamment dans l'inductivité de charge 17, il y produit, en proportion de la courbe représentée sur la figure 4, un flux magnétique variant avec le temps, de pente relativement importante, qui peut être utilisé pour déclencher des impulsions de puissance dans l'indutivité de charge par l'intermédiaire d'un enroulement secondaire appoprié. Dès que de l'énergie est prélevée du montage par l'intermédiaire de l'indutivité de charge 17, le courant d'accumulation id diminue de façon correspondante. La variation du flux magnétique dans l'indutivité d'accumulation 18 liée a la variation de id peur également être utilisée pour prélever inductivement de l'énergie sur l'inductivité d'accumulation elle-même. Les impulsions déclenchées dans linductivité de charge 17 sont bipolaires dans le cas d'un montage selon la figure 1, c'est-à-dire que le train d'impulsions comprend des impulsions positives et négatives, selon les semi-ondes positives et négatives du courant du condensateur 1c d'après la figure 4. Du fait que , dans ce cas, la seconde soupape d'inversion 10 et la seconde soupape de commutation 9 sont montées directement antiparallèlement en tant que diode et thyristor, on peut avantageusement les réunir toutes les deux en un thyristor RLT conduisant en sens inverse et les loger dans un boîtier commun. On a représenté sur la figure 2 un autre exemple de réalisation du montage selon l'invention. La seconde soupape d'inversion 10 y est montée en antiparallèle sur un mon tagewsérie de la soupape de commutation 9 et de linductivi- té de charge 17. Il en résultel'avantage que, dans lXinduc- tivité de charge, il ne peut apparaître et ètre prélevé que des. impulsions d'une polarité, du fait que lwinductivi- té de charge n'est parcourue par le courant du condensateur i c qu'au cours des intervalles dans lesquels la soupape de commutation 9 conduit.On peut en outre insérer une autre inductivité, la bobine de commutation 16, dans la seconde branche, pour déclencher séparément les impulsions qui ne sont pas captées par l'inductivité de charge 17. Par une combinaison appropriée des secondaires correspondants des deux inductivités, on peut utiliser ainsi, selon le principe du redressement pleine-onde, toutes les demi-ondes de courant pour déclencher des impulsions d'une seule polarité. En outre, la bobine de commutation 16 limite la dérivée critique di/dt du courant pour les thyristors. Selon un autre exemple d'éxecution préféré conforme à la figure 3, la source de courant continu 23 est réalisée avec l'interrupteur 22 de la figure 1 sous la forme d'un transformateur triphasé sur les secondaires 13, 14 et 15 duquel on branche des soupapes de redressement commandées 1, 2 et 3, notamment des thyristors. D'autres soupapes de redressement 19, 20 et 21, non nécessairement commandées, forment avec les soupapes 1, 2 et 3 un montage en pont faisant passer, pour une attaque correspondante des soupapes mentionnées en dernier lieu, un courant continu par l'inductivité d'accumulation 18.Les soupapes commandées 1, 2 et 3 jouent en même temps le rôle de l'élément intérrupteur 22 des figures 1 et 2, de sorte que, ici aussi, au passage par zéro déjà décrit au cours de la première demi-onde du courant du condensateur xc ? les soupapes de redressement qui justement conduisent peuvent être désamorcées. Pour envoyer les impulsions de grande puissance dans un plasma annulaire, il est avantageux de réaliser l'in ductivité- de charge 17 sous la forme d'un premier enroulement primaire d'un tranGformateur du côté secondaire duquel est branché un tore de plasma constituant un enroulement secondaire, de sorte que la variation du flux magnétique avec les impulsions de courant traversant l'inductivité de charge induit directement dans l'anneau de plasma conducteur un courant qui contribue au chauffage du plasma. En outre, il est également avantageux que l'inductivité d'accumulation 18 soit réalisée sous la forme d'un second enroulement primaire du transformateur et soit découplée magnétiquement du premier enroulement primaire.On peut y parvenir par exemple en séparant chacun des enroulements en enroulements partiels semblables et en disposant ces enroulements partiels de façon qu'il ne se produise pas d'effets réactifs parmi les enroulements primaires. En outre, il est également avantageux de réaliser les enroulements de transformateur des inductivités 16 et 17 sous la forme d'enroulements supraconducteurs, pour maintenir à un faible niveau les pertes dans les inducivi- tés. Les valeurs des inductivités et capacités utilisées dans le montage sont déterminées de façon simple d'après les données techniques des soupapes utilisées et les exigences d'amplitude et de durée des impulsions à haute puissance, En outre, les inducti-vités doivent avoir une valeur suffisamment élevée pour limiter la dérivée di/dt -à une valeur acceptable pour les tfryristors La tension de charge et la capacité du condensateur 32 doivent être suffisamment élevées pour d'une part provoquer le passage par zéro nécessaire pour désamorcer les thyristors et, d'autre part, maintenir l'inversion de courant qui lui est liée pour un intervalle de temps prédéterminé par le type de thyristor. Au total, le montage selon l'invention a pour avantage de permettre de prélever de façon simple et non-critique à l'aide- d'éléments statiques de l'énergie dans un accumulateur inductif et de la restituer sous forme d'impulsions à haute puissance, par exemple pour le chauffage du plasma. La disposition spéciale des éléments permet alors une commutation sarde des soupapes en forme de thyristor utilisées, par la tension de charge élevée du condensateur employé qui joue en mme temps le rôle de condensateur de désamorçage pour l'interrupteur principal du circuit d'accumulation. R E v E N D I C A T I O N s 3, - Montage pour produire et transmettre des impulsions de haute puissance, notamment dans des installations de fusion de plasma, dans lequel une inductivité d'accumulation est reliée d'une part, par un interrupteur, à une source de courant continu et, d'autre part, par un condensateur jouant le rôle d'accumulateur intermédiaire, à une inductivité de charge pour déclencher des impulsions, et des soupapes à semi-conducteurs sont utilisées pour commander le déclenchement, caractérisé en ce qu'il comporte parallèlement à l'inductivité d'accumulation (18) une première branche comprenant un montage-série du condensateur (12) de l'inductivité de charge (17) et d'une soupape de commutation (9), et une seconde branche, avec une soupape de roue-libre (8), montée en parallèle sur la première branche, et en ce qu'une soupape d'inversion (7) est montée en antiparallèle sur la soupape de roue-libre, tandis qu'une seconde soupape d 'in- version (10) est montée en aneiparal2èle sur la soupape de commutation (9). 2. - Montage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la seconde soupape d'inversion (10) est une diode et la soupape de commutation (9) un thyristor. 3. - Montage selon la revendication 2, c,aractérisé en ce que la seconde soupape d'inversion (10) est montée en antiparallèle exclusivement sur la soupape de commutation (9), et en ce que les deux soupapes (9, 10) sont rassemblées en un thyristor (RLT) conduisant en sens inverse. 4. - Montage selon la revendication 2, caractérisé en ce que la seconde soupape d'inversion (10) est montée en anti parallèle sur un montage-série de la soupape de commutation (9) et de l'inductivité de charge (17). 5, - Montage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une bobine de commutation (16) est montée en série avec la soupape de roue-lIbre (8) dans la seconde branche 6. - Montage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source de courant continu (23) est réalisée, avec l'interrupteur (22t, sous la forme d'un transformateur triphasé avec des soupapes de redressement (J, 2, 3) commandées, montées sur les enroulements secondaires 13, 14, 15) et d'autres soupapes de redressement (19, 20, 21) montées en pont. 7. - Montage selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'inductivité de charge (17) est réalisée sous la forme dgun premier enroulement primaire d'un transformateur du conté secondaire duquel est placé un tore de plasma constituant un enroulement secondaire. 8. - Montage selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'inductivité d'accumulation (18) est réalisée sous la forme d'un second enroulement primaire du transformateur et est découplée magnétiquement du premier enroulement primaire. 9. Procédé pour faire fonctionner un montage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'en partant dgun état initial dans lequel l'interrupteur (22) est fermé, la source de courant continu (23) envoie un courant- d'accumulation id à travers l'inductivité d'accumulation (18) et le condensateur (12) est chargé à la polarité de la source de courant continu (23), à un premier instant to la soupape de commutation (9) s'amorce et le condensateur (12) transfère sa charge par un courant de condensateur ic par l'intermédiaire de l'interrupteur (22)., en ce qu'à un second instant t1 auquel le courant du condensateur ic et le courant d'accumulation id sont approximativement identiques, l'interrupteur (22) s'ouvre et la première soupape d'inversion (7) s'amorce, et en ce qu'après l'achèvement du transfert de charge à un troisième instant t3 la soupape de roue-libre s'-amorce et le condensateur (12) est amené à son état de charge initial par un autre transfert de charge 10. - Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que des impulsions à haute puissance sont déclenchées avec des enroulements secondaires à partir de lSinducticité de charge (17) et de l'inductivité de commutation (16).