Brevet FR2532103A1 — publié le 19840224

"Transformateur à haute tension avec un redresseur à haute tension et un organe de réglage pour la fourniture d'éner- gie à des accélérateurs d'électrons à un ou plusieurs étages " la présente invention concerne un transfor- mateur à haute tension consistant essentiellement en un noyau de fer magnétique, une culasse, la bobine primaire et la bobine secondaire, avec un redresseur à haute ten- sion et un organe de réglage pour la fourniture d'énergie à des accélérateurs d'électrons à un ou plusieurs étages. La mise en jeu de jets d'électrons comme porteurs d'énergie à haute tension et haute densité de tension présente aujourd'hui une importance croissante dans différents domaines industriels. Le domaine d'emploi de chaleur d'électrons est ainsi élargi et enrichi par de nouveaux principes dtac- tion et de nouveaux procédés En plus du soudage par jet d'électrons, ainsi que des opérations de fusion, de chauf- fage au rouge et de vaporisation, les opérations de réticu- lation de matières synthétiques, de séchage et de vernis- sage au moyen d'électrons accélérés, représentent aujourd'- hui un procédé économique et non polluant de l'environne- ment. La condition pour une utilisation à l'échelle industrielle de la technologie de jet d'électrons est la mise à disposition de canons à électrons puissants et de 2.- fonctior, erent sdr, ainsi que de sources de hautes tensions nécessaires pour leur fonctionnement et installations auxi- liaires afférentes à ces sources. Etant donné que, dans le durcissement de vernis, la réticulation ultérieure de vernis et de feuil- les, le doublage et la réticulation de matières adhésives sensibles à la pression, il s'agit de couches relativement minces, de l'ordre de 1 à 300 microns, on dispose, comme accélérateur d'électrons, des systèmes dénommés "accéléra- teurs à un étage" Ils peuvent 8 tre mis en service avec des tensions jusqu'à environ 300 Ke V, (kilo-électron-volt). Par rapport aux systèmes à plusieurs étages, ils sont de construction plus simple et moins coûteux Des tensions d'accélérations plus élevées sont de moindre intérêt pour l'emploi industriel à grande échelle dans la technique de revêtement de surfaces et de traitement de feuilles et films de matières, pour des raisons de prix et en raison de la protection coateuse contre le rayonnement Roëntgen- dur résultant de la combustion des électrons. Des jets déliectrons avec tension d'accélé- ration jusqu'à 300 Ke V doivent tre protégés par des pla- ques de plomb et ainsi ils ne -peuvent pas être liés à une cuve de béton installée d poste fixe. L'alimentation en énergie de l'accélérateur d'électrons consiste en un appareil à haute tension Il délivre la tension d'accélération pour un jet d'électrons et lui communique son énergie Pour cela, sont prévues une série d'installations auxiliaires de mesure, de com- mande et de réglage, ainsi que des installations de protec- tion et de surveillance - Etant donné que l'invention concerne unique- ment l'alimentation en haute tension, les dispositifs de chauffage de cathode, d'alimentation en tension pour l'élec- trode de commande et pour le système de guidage du jet, ne sont pas décrits en détail. 3.-e Le système diali rentation en haute tension co.nio:rie à la figure 1, comprend les caractéristiques es- sentielles suivantes (voir à ce sujet Schroller, Jessa, Vetters " Installations de haute tension pour canons a électrons", IEW-Nachrichten 1976 Communication de l'Insti- tut de recherche Manfred -von Ardenne à Dresde: organe de réglage, transformateur à haute tension et redresseur à haute tension). Dans le cas d'alimentations à haute tension avec des tensions d'accélération relativement élevées, on utilise, comme organe de -réglage, des transformateurs ré- glables, car ils offrent la plus grande sécurité possible lors de la production d'ondes vagabondes On peut également mettre en oeuvre, du c 8 té primaire, dans l'alimentation en courant, des étranglements pour limiter le courant de court-circuit Des barrages électroniques de courtcircuits ne se sont pas montrés convenables dans le cas de tensions de 300 Ke V. Le mode de réalisation comme décrit ci-dessus présente les inconvénients suivants: Les étranglements prévus pour la limitation de courant de court-circuit doivent, pour des raisons de puissance, consister en bobines de grand volume et de fai- ble inductivité Pour cette raison, ils n'offrent qu'une protection insuffisante pour le démarrage de l'accélérateur d'électrons, lequel après chaque interruption de fonction- nement importante doit 8 tre lancé à nouveau En conséquen- ce, on a dû renoncer à de tels étranglements dans les ap- pareils connus jusqu'à maintenant de la catégorie des hau- tes tensions Il en résulte, lors de surcharges, pendant la mise en service du canon à électrons et également pen- dant son fonctionnement, d'énormes décharges dans le pro- ducteur de jet, qui sont encore amplifiées par l'énergie délivrée après coup à partir du réseau primaire En outre, avec le mode de construction traditionnel de transforma- 4.- eurs _ _a'te tensiont es bobines 'ri are a seccrdaire sornt corsqtruites de telle -aniire qu'il rsulte un:acteur de couplage aussi élevé que -possible en ue d'un fcnrction- ne:ent avec pertes réduites Cette construction amplifie, en supplézent, le courant de décharge dans le cas d'une surcharge en haute tension Ces décharges peuvent aboutir à une destruction des bobines secondaires ou du redresseur dans l'appareil à haute tension, Malgré la résistance préa- lable prévue sur l'appareil utilisateur. La prêsente invention a en conséSauence our but de réaliser un node de construction d'un transformateur a haute tension destiné à l'alimentation d'un producteur de rayonnement d'électrons, lequel, par une constitution appropriée du transformateur et son système de connexion, réagit dans le cas de surcharges, par une interruption de la tension et assure ainsi une extinction de la surcharge sans mise hors service ou destruction du transformateur ou du redresseur. Pour résoudre' ce problème, l'invention a pour objet un transformateur caractérisé en ce que la bo- bine primaire et la bobine secondaire sont éloignées de telle sorte que soit produit un champ de dispersion im- portant, le rapport des longueurs entre la culasse et les branches, étant compris entre 1/1 et 2/1. L'invention prévoit donc un transformateur à haute tension consistant essentiellement en un noyau de fer magnétique, une chape avec une bobine primaire et une bobine secondaire, avec un redresseur à haute tension et organe de réglage pour l'alimentation en énergie d'acceélé- rateurs d'électrons à un ou plusieurs étages, transforma- teur caractérisé en ce que la bobine primaire et la bobine secondaire sont suffisamment éloignées pour que soit produit un champ de dispersion important, le rapport des longueurs entre la culasse et les branches étant de 1/1 à 2/1. Dans le transformateur à haute tension con- 5.- ore à l'i nvrention, les bobines r:-aaire et sectr ire éloignées l'une de l'autre, se trcuvent 2-ecui: sur la même branche du noyau de fer, mais elles sont séparées l'une de l'autre dans l'espace, de telle sorte ciu'il en résulte un champ de dispersion important, grâce à auoi, en cas de surcharges de haute tension, la résistance magné- tique croisse très rapidement et s'oppose à la livraison d'énergie accrue dans le circuit secondaire. Cet effet "à affaiblissement" est encore ac- cru par une distance aussi grande que possible de la bobi- ne secondaire par rapport au noyau de fer du transformateur. Fondamentalement, pour "l' affaiblissement" de la surcharge d'un transformateur à haute tension, ce sont ainsi la disposition des bobines sur le noyau ainsi que la longueur du circuit des t 8 les entre les bobines et la longueur du circuit dans la culasse qui sont responsa- bles. Plus particulièrementp le rapport entre la largeur angulaire des bobines et la longueur des branches du noyau est une valeur critique Conformément à l'inven- tion, une valeur préférée de ce rapport est 1/5, cepen- dant des valeurs possibles sont comprises entre 1/4 et 1/6. Dans le cas de transformateurs à haute ten- sion dits "durs", il est possible d'utiliser des culasses courtes Cependant, dans les transformateurs à haute ten- sion conformes à l'invention, le rapport entre la longueur de la culasse et la longueur des branches est compris en- tre 1/1 et 2/1. Un autre point important est le dianmètre moyen de l'enroulement secondaire Il satisfait à - Ri/Ra = 1/2, formule dans laquelle R est le rayon intérieur de l'enroulement et Re son rayon extérieur Les dimensions a sont choisies en fonction des tensions à isoler. Dans la pratique, le résultat de cette dis- d.- c:: r-'s:dce ean ce ?ule, L-os t' '-arito-x 'tne oé- c'iarge de sur-tension dans 1 '-_pnareil utilisaeur, le cou- rat secondaire croît et la tension secondaire décroit. la dicharge de suir-tension est ainsi auto- ratiquenent éteinte et l'interruption de l'émission d'élec- trons ne dure que quelques milli-secondes. Comme protection pour le côté secondaire du transformateur, en cas de chute brusque de la charge (par exemple par rupture de cathode), il est présvu dans la sor- tie de la résistance de mesure, une cha Lne de résistance variable à réaction rapide, montée en parallèle. En plus des mesures de protection déjà men- tionnées, il est prévu, pour un fonctionnement industriel complètement automatique, d'un appareil à haute tension avec producteur de rayonnement d'électrons, des disposi- tifs retardataires de coupure réglables dans le cas de cou- rants de sur-charge et sur-tensions de longue durée. Pour la mise en service du producteur de rayonnement d'électrons, if est nécessaire de prévoir des mesures supplémentaires pour l"'affaiblissement" du trans- formateur Pour cela, sont montées, dans les conductsurs d'amenée primaires de l'1 appareil à haute tension, des bo- bines d'étranglement d'inductivité relativement élevée et de faible puissance Elles sont destinées à limiter le cou- rant maximal d' électrons à une valeur de quelques m A, pendant la durée de formation du générateur de rayonnement d 'électrons. Tles étranglements peuvent être connectés ou déconnectés seulement dans la position nulle du trans- formateur de réglage. L'invention est expliquée ci-après à l'aide d'un exemple de réalisation sans aucun caractère limitatif. EXEMPLE - Un transformateur à haute tension, constitué conformément à l'invention, de 220 Ke V avec tension -7. d'éoreuve de 350 Xe V et une résistance n, érieure de O -ohm, présente les dimensions euivantes: largeur angilaire de la bobine primaire 153 _ longueur des branches du noyau de fer 765 mm longueur de la culasse du noyau 590 mm rayon intérieur de la bobine secondaire Ri = 110 mm rayon extérieur de la bobine secondaire Ra = 220 mn Ce transformateur est mis en service dans une installation à haute tension, telle que celle représen- tée dans la figure 1, pour un accélérateur d' électrons destin S au durcissement de vernis à l'aide d'électrons ac- célérés, sur une tige de poussée en matière synthétique. Le générateur d'électrons présente les carac- téristiques techniques suivantes: tension d'accélération 220 Ke V courant d'électrons 120 m A longueur de balayage 1 300 mm pièces irradiées 300 pièces par heure Dans la figure 1, les éléments sont pourvus des références suivantes: 1 organe de réglage 2 bobines d'étranglement 3 contacteur pour connexion et déconnexion des étrangle- ments 4 transformateur redresseur 6 résistance de protection 7 varistors 8 résistance de mesure 9 mesure de courant d'électrons montage de seuil et de retardement 11 alimentation en courant du générateur de rayonnement d'électrons - 12 accélérateur d'électrons * 35 Pour l'alimentation en énergie du générateur c 8.- da rwayoru: e-aeien d'lectrols, à'pari ahau e te,-,io n zrésen te les caractéristiques suivantes -t Uranglemen ts tréalables pcour' la ziise en route du généra- teur: 0,15 -ry, Montage de varistors de protection Courant mis en oeuvre pour 240 Ke V et sa déconnexion Courant de retardement de coupure Tension variable réglable entre 20 et 100 msec. 9 _ R V E N D I C A T I O: S 1. Transformateur à haute tension, zonrpre- nant essentiellement un noyau magnétique, culasse et bobi- nes primaire et secondaire, ainsi que redresseur à haute tension et organe de réglage, pour l'alimentation en éner- gie d'un accélérateur d'électrons à un ou plusieurs étages, caractérisé en ce que la bobine primaire est éloignée de la bobine secondaire assez loin pour que soit créé un champ de dispersion important, le rapport des longueurs entre culasse et branches du noyau étant compris entre 1/1 et 2/1. 2. Transformateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le rapport entre la largeur angu- laire de la bobine primaire et la longueur de branche du noyau de fer est compris entre 1/4 et 1/6 et est notam- ment égal à 1/5. 3. Transformateur suivant l'une des reven- dications 1 et 2, caractérisé en ce que le rapport entre le rayon intérieur Ri de la bobine secondaire et son rayon extérieur Ra est égal à Ri/Ra = 1/2.