Brevet FR2550000A1 — publié le 19850201

La présente invention concerne un dispositif d'alimentation électrique d'une installation pour effectuer un recuit rapide continu, sur courte distance et par contact électrique, de fils métalliques après l'étirage. Les fils métalliques (en cuivre, en nickel, en aluminium, en acier, etc.) fabriqués par les machines d'étirage précis durcissent pendant le processus d'étirage et ils doivent subir un recuit d'adoucissement avant leur utilisation ultérieure. Le recuit peut être effectué dans un four ou bien en faisant passer un courant électrique. Le recuit effectué dans un four est lié à la séparation du processus technologique et il prend beaucoup de temps de sorte que ce processus de recuit est toujours rarement utilisé. Dans l'installation opérant par contact électrique, le courant électrique échauffe par effet Joule le fil qui est adouci après refroidissement (Garamvölgyi Tivadar : Konstruktions- und technologische Kenntnisse über drahtherstellende Maschinen, Miskolc, 1975, pages 44 à 52). Le courant appliqué au fil reliant les galets de contact et se déplaçant à une vitesse "v" est déterminé par la tension appliquée au galet de contact et par les caractéristiques du fil (section droite, conductivité spécifique). Le courant passant dans le fil doit pouvoir chauffer le fil à la température désirée dans toute la plage de vitesses (0 à 50 m/s). En outre, la tension de recuit UL doit varier en fonction de la racine carrée de la'vitesse "V". (Document spécial Raht 1969/6, pages 390-395). Du point de vue de la protection contre un contact, la tension de l'installation de recuit par contact électrique peut être augmentée au maximum jusqu'à 65 V - sans un capot extérieur de protection.Dans des machines d'étirage précis, ou le diamètre du fil fabriqué est petit, ou bien où la résistance spécifique est élevée (par exemple Ni), pour pouvoir atteindre l'intensité nécessaire pour le courant passant dans le fil - car la tension peut atteindre la valeur maximale précitée de 65 V -. la distance d'espacement entre les galets de contact est petite ou bien la distance de recuit est courte. Dans ces conditions, le choix optimal du dispositif d'alimentation électrique utilisable pour le recuit pose un premier problème. Pour pouvoir effectuer un recuit uniforme, la solution la plus avantageuse consisterait à utiliser un dispositif d'alimentation, réglable dans toute la plage de vitesses, produisant une tension continue de faible ondulation. Malheureusement, cela ne peut pas être appliqué en pratique à cause des pertes élevées. Au contraire, on a utilisé des redresseurs triphasés à commande autonome comportant un circuit à pont transistorisé jusqu a une longueur de zone de 700mm - ou plus - pour le recuit continu à grande vitesse (30 à 50 m/s) de fils ayant un diamètre de 0,1 mm (et plus). Comme cela est connu, la tension continue de sortie du redresseur à thyristor peut être réglée par une commande de phase des thyristors la commutation est assurée par le réseau. En correspondance, l'ondulation de la tension est assez grande et elle varie avec la vitesse. Pour de faibles vitesses du fil ou bien pour de longues zones de recuit, un tel dispositif d'alimentation satisfait encore aux conditions imposées car le fil reste suffisamment longtemps dans la zone de recuit et le fil est en mesure de recevoir le courant du point de vue de l'effet calorifique. I1 est à noter que, dans le cas d'un recuit effectué par contact électrique, en correspondance à la nature purement ohmique de la sollicitation, la forme du signal de courant suit toujours la forme du signal de tension de recuit. Dans le cas d'une courte longueur de traitement inférieure à 700 mm, et pour une grande vitesse de fil d'au moins 30 m/s, le temps de passage du fil dans la voie de recuit se rapproche de ira'période des ondes de tension du redresseur à thyristor de sorte que le fil n'est pas en mesure d'absorber le courant du point de vue de l'effet calorifique. Ce phénomène -conduit à un adoucissement non uniforme (ondulé) du fil et ainsi le redresseur à thyristor ne convient en aucune manière pour le recuit sur courte distance dans des installations opérant à grandes vitesses (document spécial "Draht" 1969/6, page 393). Le régulateur torique de tension - combiné au redresseur - est utilisé avec une longueur minimale de 550 mm ou bien sur une distance encore plus longue. Dans ce cas, l'ondulation de la tension est constante (redressement triphasé en six temps) et la grandeur de la tension permet un réglage du système de servorégulation du transformateur torique. L'inconvénient de cette solution consiste en ce que, pendant la régulation à l'aide du servomoteur, le temps mort est assez long et l'hystérésis est grande, par suite de la commutation fréquente en charge (courant), il se produit un brûlage des balais du tore et un court-circuitage des enroulements et en outre, la régulation est imprécise et de plus, à cause des éléments mobiles, il est tout à fait possible qu'il se produise une panne. L'invention a pour but d'éliminer les inconvénients des solutions connues. Selon l'invention, la sortie du redresseur est reliée aux galets de contact par l'intermédiaire d'un écrêter. L'une des entrées d'un modulateur de largeur d'impulsions est reliée à la sortie d'un générateur d'impulsions tandis que la seconde entrée est reliée à la sortie d'un régulateur; l'une des entrées du régulateur est reliée à la sortie d'une unité d'établissement de valeur de consigne tandis que son autre entrée est reliée à la sortie d'une unité d'établissement de valeur réelle, l'entrée de l'unité d'établissement de valeur réelle étant reliée à la sortie de l'écrêteur. La sortiedumodulateur de largeur d'impulsions est reliée, par l'intermédiaire d'une unité de séparation galvanique et d'uneunité de commande, à l'entrée de commande de l'écrêteur. Le dispositif électrique d'alimentation (du système PWM) mis au point conformément à l'invention, transistorisé et modulé en largeur d'impulsions pour effectuer un recuit peut avantageusement etre utilisé pour le recuit de fils fins qui sont produits dans des installations opérant à grande vitesse sur une courte distance. En ce qui concerne l'ordre de grandeur du recuit s'établissant par contact électrique (longueur de zone de 550 à 1100 mm, diamètre de fil de 0,05 à 0,4 mm) - par comparaison aux unités d'alimentation à transistor et tores utilisées dans l'art antérieur - la solution conforme à l'invention présente des particularités avantageuses, les paramètres du fil ainsi recuit sont bien meilleurs d'apres les normes actuelles, la commande est également plus facile. En ce qui concerne la fréquence de travail de l'installation conforme a l'invention, qui peut avantageusement être réglée dans une plage comprise entre 0,5 et 2,5 kHz, on peut effectuer un recuit à grande vitesse sur des longueurs de traitement inférieures à 500 mm. Ainsi par exemple, pour une fréquence de 1 kHz et pour une longueur de traitement de 250 mm, il est possible d'effectuer un recuit à une vitesse de 50 m/s car le temps de parcours est de 5 msec et le temps de répétition d'impulsions est de 1 msec. I1 n'est prévu aucun composant mobile et le dispositif d'alimentation est -complètement électronique de sorte qu'il est plus avantageux que les dispositifs d'alimentation transistorisés et que le prix est approximativement égal à celui du régulateur torique; l'encombrement est bien plus petit, il est possible d'effectuer une régulation plus précise et plus rapide et également la sécurité de fonctionnement est meilleure. Une caractéristique extrêmement importante consiste dans la faible consommation d'énergie et dans le bon rendement. Pour confirmer ces considérations, on a effectué une comparaison du dispositif d'alimentation, transistorisé conformément à l'invention, du système PWM avec le dispositif d'alimentation thyristorisé classiquement utilisé dans l'art antérieur. Dans le cas du redresseur triphasé, intégralement commandé et associé au circuit à pont, la tension de recuit est réglée par une commande de phase Comme cela est connu, dans les redresseurs commandés, la régulation des thyristors par commande de phase a une influence sur l'absorption de la puissance réactive ou bien sur le facteur de puissance. Le facteur de puissance est d'autant plus petit que l'angle d'amorçage est élevé, c'est-à-dire que la tension continue est plus basse. Le facteur de puissance du redresseur commandé est assez défavorable - notamment pour un grand angle d'amorçage et, du point de vue du secteur, cela n'est pas admissible car dans ce cas l'adsorption de la puissance réactive est extrêmement grande. Une autre perte est imputable à la puissance de dissipation se produisant dans les thyristors. Au contraire, le dispositif de recuit transistorisé et modulé en largeur d'impulsions conformément à la présente invention reçoit à partir d'un redresseur triphasé non commandé associé à un circuit à pont la tension continue filtrée à l'aide du condensateur-tampon. Le facteur de puissance du redresseur non commandé est proche de 1 - il correspond à peu près à 0,955 en fonction du pourcentage d'oscillation de base. Du fait que le partage de phase n'est pas modifié, la valeur ne varie pas de sorte que le secteur n'est pas sollicité par la puissance réactive. I1 se produit évidemment également dans le transistor de puissance du circuit écrêteur, modulé en largeur d'impulsions,transistorisé et servant à la régulation de la tension de recuit, une puissance de dissipation qui ne dépasse cependant également pas 6 à 7% dans les cas les plus défavorables et 3 à 4% dans la plage caractéristique de fonctionnement.En conséquence, l'installation selon l'invention fonctionne sans altération du facteur de puissance du secteur, avec une faible perte de dissipation, ce qui permet d'atteindre encore un rendement élevé lorsque la tension de sortie s'élève à une fraction de la tension d'entrée. Le dispositif est insensible à des variations de la tension et de la fréquence du secteur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mis en évidence dans la suite de la description, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels: la figure la est une représentation graphique de la tension de sortie du générateur d'impulsions et elle montre les deux niveaux de comparaison; les figures lb et îc représentent graphiquement la tension de sortie de l'écrêteur pour deux niveaux de comparaison; la figure 2 est un schéma à blocs du dispositif d'alimentation; la figure 3 donne des courbes de signaux A-F qui sont obtenus aux points du dispositif d'alimentation désignés en correspondance sur la figure 2. Dans le dispositif d'alimentation selon l'invention, représenté sur la figure 2, l'entrée du redresseur 2 est reliée au transformateur 1 connecté avec les phases R, S, T tandis que la sortie est reliée par l'intermédiaire d'un écrêter de grande puissance 3 avec les galets de contact 42, 43, entre lesquels le fil 41 se déplaçant à une vitesse v est guidé sur la voie de traitement par recuit 4. L'une des entrées du modulateur de largeur d'impulsions 6 est reliée au générateur d'impulsions 5 tandis que l'autre entrée est reliée à la sortie du régulateur 10. L'une des entrées du régulateur 10 est reliée à l'unité de génération de valeur de consigne 9 tandis que l'autre entrée est reliée la sortie de l'unité de génération de valeur réelle 12, l'entrée de cette unité 12 étant reliée à la sortie de l'écrêteur 3. La sortie du modulateur de largeur d'impulsions 6, est reliée par l'intermédiaire du diviseur de tension 7 et de l'unité de commande 8, à l'entrée de commande de l'écrêter 3. La sortie de l'écreteur 3 est également reliée à l'entrée du circuit de protection 11 dont la sortie est reliée à l'unité de commande 8. On va décrire dans la suite le mode de fonctionnement du dispositif électrique d'alimentation transistorisé, modulé en largeur d'impulsions (système PWM) qui sert à effectuer le recuit. Du point de vue de l'action thermique se produisant dans le fil 41, la valeur efficace de la tension ULeff apparaissant sur les galets de contact 42, 43 est déterminante (figures lb et tic). La tension aux galets de contact 42 et 43 est réglée par modification de la durée de coupure t k et de la durée d'enclenchement tb du dispositif transistorisé de puissance à fonction de commande, la fréquence de travail étant maintenue a une valeur constante La fréquence de travail de la tension en dents de scie (figure la) produite dans le générateur dlimpul- sions 5 peut être choisie en concordance avec la longueur de la zone 4 et elle peut avantageusement être réglée entre 0,5 et 2,5 kHz.La raison pour laquelle on a choisi une fréquence relativement"éîevée11 consiste en ce que la durée de période de l'écrêteur transistorisé 3 est plus courte d'un ordre de grandeur, par comparaison au temps de passage du fil dans la zone de recuit 4. De cette manière, le fil 41 reçoit, également à vitesse élevée, des impulsions en nombre approprié qui permettent de chauffer le fil avec la plus grande sécurité en vue d'assurer un recuit uniforme. La valeur efficace de la tension de recuit est réglée de façon continue dans toute la plage de vitesses (0 à 50 m/s), et notamment en correspondance à la fonction de racine carrée décrite ci-dessus. La figure la met en évidence deux niveaux de comparaison UK1 et UK2 Les figures lb et lc mettent en évidence les valeurs efficaces ULeff ainsi que les courbes de signaux -corres- pondant aux niveaux de comparaison. On fait en sorte que, pendant le temps d'enclenchement tb, une tension continue Ud soit toujours appliquée aux galets de contact 42, 43; ceci peut être considéré comme avantageux car les impuretés, l'oxydation, les sulfures ou les résidus de lubrifiant subsistant sur la surface du fil sont éliminés en toute sécurité avec un tel niveau de tension et le contact de transition est bien défini. L'établissement et la coupure de la tension, qui se produisent à une fréquence relativement "élevée", c'est-à-dire la fonction de commande, présentent technologiquement l'avantage que, non seulement lors d'un relâchement ou d'un déportdufil 41 sur les galets de contact 42, 43, on peut exclure un arc électrique, mais de toute manière celui-ci cesse au bout d'un temps court (au maximum 1 ms). De cette manière, il est possible de réduire la formation de traces de brûlage sur la surface des galets de contact 42, 43 et du fil 41 - par comparaison aux solutions connues. Le mode de fonctionnement va être expliqué de façon plus détaillée en référence à la figure 2. Les formes de tension caractéristiques, qui peuvent être mesurees aux endroits désignés par des lettres sur la figure 2 ont été représentées sur les figures 3A à 3F. Le transformateur triphasé 1, branché en étoile du côté secondaire, alimente avec une tension de 50 V le redresseur triphasé 2 associé au circuit à pont. La tension apparaissant au point de sortie A du redresseur 2 est un signal hexaphasé redressé, qui peut être encore filtré à l'aide du condensateur-tampon. La sortie négative du redresseur 2 est mise à la masse tandis que la borne positive est reliée à l'entrée de l'écrêteur grande puissance 3. Avantageusement, l'écrêteur grande puissance 3 est formé de transistors de puissance du type NPN branchés en parallèle. Le nombre des transistors est choisi en correspondance à la puissance exigée. L'écrêteur grande puissance est commandé de manière qu'il apparaisse à sa sortie - le point B - et par conséquent au galet de contact 42 - toujours une tension dont la valeur efficace correspond à la fonction UL = K Ju, v désignant la vitesse du fil 41. Le facteur K peut être réglé. I1 se produit à la sortie du générateur d'impulsions 5 - au point C - un signal symétrique en dents de scie, dont la fréquence peut être réglée entre 0,5 et 2,5 kHz. Le modulateur de largeur d'impulsions., réalisé sous forme d'un comparateur, compare la tension du générateur d'impulsions 5 avec celle du régulateur 10. A partir de la sortie du modulateur de largeur d'impul sions 6 - c'est-à-dire à partir du point D - la tension parvient au diviseur de potentiel 7, dont la tension de sortie - c'est-à-dire le point E - est appliquée à l'unité de commande 8. Lorsqu'aucune valeur de consigne n'est disponible, l'unité d'entrainement 8 ferme l'écrêter à grande puissance 3. La vitesse de la machine d'étirage, ou du fil 41, est détectée dans la plupart des cas à l'aide d'une tachydynamo. En tenant compte du fait qu'il existe entre la tension de recuit - la valeur réelle - et la vitesse du fil, la relation UL = K H; la racine carrée de la tension de la tachydynamo est établie dans l'unité de générateur de valeur de consigne 9, auquel cas le réglage du facteur K est assuré à l'aide d'un potentiomètre extérieur. La racine carrée de la valeur de consigne X parvient au point d'établissement de a différence du régulateur 10, où cette valeur est comparée avec la valeur réelle Xe fournie par l'unité d'établissement de valeur réelle 12.La tension correspondant au signal de différence et apparaissant à la sortie du régulateur à comportement PI est appliquée au modulateur de largeur d'impulsions 6, où elle est comparée avec le signal en dents de scie fourni par le générateur d'impulsions 5, comme indiqué ci-dessus Le diviseur de potentiel 7, ainsi que l'unité de commande 8, commandent, de la manière définie par le régulateur 10, 1'écrêter de grande puissance 3 de manière que la valeur efficace de la tension de sortie satisfasse a la relation UL = K Vu Ainsi, la fréquence de travail de l'écrêteur de grande puissance 3 est déterminée par la fréquence des signaux symétriques en dents de scie fournis par le générateur d'impulsions 5 tandis que la valeur efficace de la tension de sortie est déterminée par la tension de sortie du régulateur 10. Lorsque la valeur de consigne Xa augmente, c'est-à-dire lorsque la vitesse du fil 41 croit, la tension du régulateur 10 devient également plus grande de sorte que le modulateur de largeur d'impulsions 6 commande, par l'intermédiaire dudiviseur de potentiel 7 et de l'unité de commande 8 - au point F - l'écreteur de grande puissance, de telle sorte que la durée d'enclenchement tb soit plus longue que la durée de coupure tk, c'est-àdire que la valeur efficace de la tension existant dans la zone de recuit, correspondant à la formule devient plus grande, notamment d'après la fonction UL = K /i- qui est déterminée par l'unité d'établissement de valeur de consigne. La régulation se déroule dans toute la plage de vitesses (de tensions) de la manière décrite ci-dessus aussi bien lorsque la machine accélère que lorsqu'elle ralentit. L'installation est pourvue du circuit électronique de protection 11 qui déclenche un "verrouillage d'impulsions" en cas de surintensité. Sous l'action du verrouillage d'impulsions, la sortie de l'écrêteur de grande puissance 3 est isolée des autres unités de la ligne technologique de fabrication (machine d'étirage, machine de lavaye). REVENDICATIONS 1. Dispositif électrique d'alimentation d'une installation opérant à grande vitesse et sur une courte voie de traitement, pour le recuit de fils métalliques par contact électrique après l'étirage, dans lequel le fil est guidé entre des galets de contact sur la voie de recuit de l'installation et où les galets de contact sont reliés à la sortie d'un redresseur, caractérisé en ce que la sortie du redresseur(2)est reliée par l'intermédiaire d'un écrêteur (3) aux galets de contact (42, 43), en ce qu'en outre une des entrées d'un modulateur de largeur d'impulsions (6) est reliée à la sortie d'un générateur d'impulsions (5), en ce que l'autre entrée est reliée à la sortie d'un régulateur (10), en ce qu'une des entrées du régulateur (10) est reliée à la sortie dfune~unité d'établissement de valeur de consigne (9), en ce que l'autre entrée est reliée à la sortie d'une unité d'établissement de valeur réelle (12), en ce qu'en outre l'entrée de l'unité d'établissement de valeur réelle (12) est reliée à la sortie de l'écrêter (3), en ce qu'en outre la sortie du modulateur de largeur d'impulsions (6) est reliée par l'intermédiaire d'un diviseur de potentiel (7) et d'une unité de commande (8) à l'entrée de commande de l'écrêter (3). 2. Dispositif électrique d'alimentation selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fréquence du générateur d'impulsions (5) peut être modifiée. 3. Dispositif d'alimentation selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'entrée de l'unité d'établissement de valeur de consigne (9) est reliée à la sortie d'une tachydynamo détectant la vitesse (v) du fil (41). 4. Dispositif d'alimentation selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il est prévu un dispositif de protection (11) dont une entrée est reliée à la sortie de l'écrêteur (3) tandis que sa sortie est reliée à l'unité de commande (8).