Brevet FR2575347A1 — publié le 19860627

GENERATEUR DE FORTES IMPULSIONS DE COURANT SYNCHRONES SUR SORTIES PARALLELES La présente invention a pour objet un géné- rateur de fortes impulsions de courant synchrones sur sorties parallèles. Par fortes impulsions de courant, on entend une impulsion dont l'intensité est de l'or- dre d'une dizaine de kiloampères et dont la largeur à mi-hauteur est de l'ordre de quelques microsecondes. Une telle impulsion de courant déLivrée sur une ligne électrique permet de simuler l'injection d'une impul- sion de courant due à une forte impulsion électroma- gnétique. Le générateur de l'invention délivrant des impulsions de courant synchrones sur plusieurs sorties parallèles permet notamment de tester les dispositifs électriques reliés à un réseau électrique polyphasé, par exemple le réseau triphasé basse tension. Dans le cas d'un réseau basse tension, l'im- pulsion électromagnétique injectant une impulsion de courant parasite en mode commun dans ce réseau peut être représentée par un générateur équivalent de Norton ayant les caractéristiques suivantes: - courant de court circuit: I = 30 KA, - largeur à mi-hauteur: th = 2 ps. On connait un générateur de courant à sortie unique ayant ces caractéristiques. Ce générateur connu présente plusieurs inconvénients. Il doit notamment être équipé d'un blindage de protection pour absorber le rayonnement dû à la source de très haute tension qui délivre 300 KV. Ce blindage confère au générateur un poids et une dimension importants qui limitent son transport. Les appareils électriques que l'on désire tester doivent donc être déplacés de leur lieu d'im- plantation vers le laboratoire o se trouve le généra- teur. De plus, ce générateur connu est complexe. Ce générateur est donc coûteux. Des études ont été faites sur l'incidence de la forme de l'impuLsion de courant sur le comportement d'un appareil électrique recevant cette impulsion. Ces études ont été faites notamment dans le cas o L'appa- reiL à tester est un système de protection disposé entre un réseau électrique basse tension et un équipe- ment électrique à protéger. Un tel système de protection est décrit dans la demande de brevet français n 84 06062 déposée le 17 avril 1984. Il comporte essentiellement un écrêteur ayant pour fonction de dériver la majeure partie de l'énergie de l'impulsion de la ligne du réseau et un filtre passe-bas dont le rôLe est d'atténuer L'inten- sité de la perturbation dans la gamme des fréquences éLevées. Le comportement d'un tel système de protec- tion face à une impulsion de courant produite par une impulsion électromagnétique intense est essentielle- ment fonction de deux paramètres de cette impulsion qui sont d'une part sa pente, en tension et en cou- rant, et d'autre part sa largeur à mi-hauteur. La pente de cette impulsion conditionne la réponse dynamique de l'écrêteur. La pente en tension détermine la tension d'amorçage dynamique de L'écrê- teur et la pente en intensité détermine la tension développée aux bornes du circuit. Quant à la largeur à mi-hauteur de l'impulsion de courant injectée, elle agit par son spectre de fréquence sur la réponse du filtre basse-bas. On connaît un générateur d'impulsions de courant délivrant une impulsion de courant dont la pente et la largeur à mi-hauteur sont représentatives d'une forte impulsion électromagnétique. Ce générateur est plus simple que Le généra- teur précédent puisque tous Les paramètres de l'impuL- sion de courant ne sont pas reproduits. Il nécessite toutefois une source de tension de 100 KV-pour la pro- duction de L'impulsion de courant. Il requiert donc, comme le générateur précédent, un blindage de protec- tion contre les rayonnements de cette source de ten- sion. Par ailleurs, les deux générateurs connus qui viennent d'être évoqués présentent également un inconvénient important pour le test en mode commun sur les réseaux électriques polyphasés. In effet, ces gé- nérateurs sont à sortie unique. Pour l'utilisation sur un réseau polyphasé, ils doivent donc être équipés d'un système de découplage capacitif afin que l'impul- sion produite soit répartie sur chaque phase du réseau attaqué. L'invention a pour objectif de remédier aux inconvénients des générateurs connus. Elle a notamment pour but de diminuer les dimensions, le poids et le coût d'un générateur de fortes impulsions de courant. Elle a pour objet un générateur d'impulsions de cou- rant dans lequel la source de tension est plus faible que dans les générateurs connus, ce qui permet de sup- primer le blindage de protection. De plus, le généra- teur objet de l'invention comporte une pluralité de modules aptes à délivrer chacun une même impulsion de courant. Ces modules sont commandés simultanément, ce qui permet d'attaquer un réseau polyphasé avec un en- semble d'impulsions de courant synchrones. De manière précise, l'invention a pour objet un générateur de fortes Impulsions de-courant synchro- ne sur sorties parallèles comprenant un étage haute tension, un ensemble de N modules identiques, o N est un nombre entier, et un moyen de commande de déclen- -chement. Chaque module est muni d'une borne d'entrée, d'une borne de sortie et d'une borne de commande de déclenchement et comporte notamment un condensateur de stockage. Chaque condensateur de stockage est chargé par l'étage haute tension. Leur décharge simultanée, commandée par le moyen de commande de déclenchement, produit des impulsions de courant synchrones sur la borne de sortie de chaque module. Selon un mode de réalisation préféré, chaque module comprend un éclateur entre le condensateur de stockage et La borne de sortie, et un moyen de comman- de de cet éclateur piloté par le moyen de commande de déclenchement. Selon une caractéristique de l'invention, le moyen de commande de l'éclateur de chaque module est un transformateur. De manière préférée, Le moyen de commande de déclenchement comprend un déclencheur et un circuit de commande, ledit déclencheur comprenant deux éclateurs en cascade alimentés par l'étage haute tension et com- mandés par ledit circuit de commande. Selon une caractéristique de l'invention, dans le cas o le générateur délivre les impulsions de courant sur un réseau alternatif, monophasé ou poly- phasé, le circuit de commande active le déclencheur à un instant déterminé fonction de ta phase d'un signal dudit réseau. Les caractéristiques et avantages de l'in- vention ressortiront mieux de la description qui va suivre, donnée à titre iltustratif mais non Limitatif, en référence aux dessins annexés, sur lesquels: - la figure I représente schématiquement le générateur d'impulsions de courant de l'invention, le- dit générateur comprenant trois modules pour l'injec- tion de trois impulsions de courant synchrones dans un réseau triphasé, la figure 2 représente un mode particulier de réalisation de l'un des modules du générateur de la figure 1, et - les figures 3a et 3b-représentent respec- tivement l'allure d'une impulsion de courant délivrée par un module du générateur de l'invention et l'allure du signal typique délivré par un système de protection recevant ladite impulsion de courant. On a représenté schématiquement sur la figu- re 1 un mode de réalisation du générateur d'impulsions de courant de l'invention. Ce générateur comprend trois éléments: un étage haute tension 2, un ensemble de modules 4 alimentés chacun par l'étage haute ten- sion 2 et délivrant une impulsion de courant, et un moyen de commande 6 pour commander l'émission synchro- ne des impulsions de courant de chaque module. L'étage haute tension 2 comprend essentiel- lement une première source de haute tension continue 6 et une deuxième source de haute tension continue 8. Ces deux sources de haute tension sont alimentées par un boîtier d'alimentation 10 relié, par exemple, au réseau alternatif basse tension. La première source 6 délivre une pluralité de signaux de tension identiques destinés à chaque module de l'ensemble 4. L'intensité de ces signaux de tension peut être réglée par un moyen 12 par un opéra- teur. Le niveau de tension choisi définit l'intensité en courant de l'impulsion délivrée par chaque module. Les tensions délivrées par cette première source de haute tension 6 sont par exemple comprises entre O et KV. Le signal de tension délivré par la deuxième source de haute tension 8 alimente le moyen de comman- de 6. Cette tension est par exemple comprise entre O et 7,5 KV. Elle peut être ajustée par un moyen interne à la source 8. Les niveaux de tension délivrés par la première source 6 et la deuxième source 8 sont affi- chés sur un moyen de visualisation 14. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 1, l'ensemble 4 comporte trois modules 16 identiques. Il est bien entendu que ce nombre est uni- quement illustratif et que le générateur de l'inven- tion peut comporter un nombre quelconque de modules. Le cas particulier d'un générateur comprenant trois modules est intéressant en pratique car il permet le test des équipements électriques reliés au réseau tri- phasé. Chaque module 16 comporte une borne d'entrée E, une borne de sortie S et une borne de commande C. La borne d'entrée est reliée à l'une des sorties de [a première source de haute tension 6 par une liaison coaxiale 18. De même, la borne de commande de chaque module 16 est reliée au moyen de commande 6 par une liaison coaxiale 20. Chaque module 16 délivre sur sa borne de sortie S une forte impulsion de courant sur réception d'un signal de commande émis par le moyen de commande 6. Les impulsions de courant délivrées par les modules sont synchrones. Chaque module 16 comprend trois éléments. Un moyen de stockage d'énergie pour stocker L'énergie reçue de la source de haute tension 6, un interrupteur disposé entre ce moyen de stockage et la borne de sor- tie S, et un moyen de commande de l'ouverture de cet interrupteur. Dans le dessin schématique de la figure 1, le moyen de stockage est constitué par un condensateur 22 auquel est associée une résistance de charge 24. Le condensateur 22 est relié d'une part à un noeud élec- trique N et d'autre part à la masse; la résistance de charge 24 est reliée à la borne d'entrée E et au noeud électrique N. L'interrupteur est un éclateur 26 disposé - entre le noeud électrique N et la borne de sortie S. Le signal de commande de L'état de l'interrupteur émis par le moyen de commande 6 sur La liaison coaxiale 20 est transmis à L'interrupteur par l'intermédiaire d'un transformateur 28. Les bornes du circuit primaire de ce transformateur sont reliées respectivement à la borne de commande C et à la masse; les bornes du circuit secondaire sont reliées au noeud électrique N et à l'entrée de commande de L'interrupteur. Chaque module peut comporter en outre une résistance d'adaptation d'impédance 30 entre l'inter- rupteur et la borne de sortie S. On décrira en référence à la figure 2 un mode particulier de réalisation d'un module 16. On va maintenant décrire le moyen de comman- de 6 du générateur de la figure 1. Ce moyen de comman- de comprend un déclencheur 32 et un circuit de comman- de du déclencheur 34. Le déclencheur 32 est alimenté par la deuxième source de haute tension 8 par l'inter- médiaire d'une liaison coaxiale 36. IL est muni de trois sorties pour délivrer un signal de commande identique sur la borne de commande C de chaque module 16 par les liaisons coaxiales 20. Il comporte enfin une entrée de commande 40 pour recevoir un signal de commande de déclenchement du circuit de commande 34* Dans l'exemple de réalisation représenté sur la figure 1, le déclencheur 32 comprend deux écla- teurs 42, 44, une résistance de charge 46 et trois condensateurs d'isolement 48. Les deux éclateurs 42 et 44 sont en cascade. Leurs entrées sont reliées à l'en- trée d'alimentation 38 par la résistance de charge 46. La sortie de l'éclateur 42 est reliée à l'une des bor- nes de chacun des condensateurs 48 dont L'autre borne est reliée à une liaison coaxiale 20. L'électrode de commande de l'éclateur 42 est reliée à la sortie de l'éclateur 44 dont l'électrode de commande est pilotée par le circuit de commande de déclenchement 34. A ti- tre d'exemple, ces éclateurs 42 et 44 peuvent être respectivement du type 6P91 et KN6B de Edgerton. Le circuit de commande de déclenchement 34 définit l'instant de sortie des impulsions de courant des modules. Ce circuit 34 est particulièrement avan- tageux dans le cas o les impulsions de courant déli- vrées par le générateur de l'invention sont injectées dans un réseau alternatif. Dans ce cas, si le circuit 34 reçoit ledit signal alternatif, ou l'une des phases de ce signal, comme on l'a représenté sur la figure 1, ledit circuit peut commander l'instant d'émission des impulsions de courant du générateur en fonction de la phase dudit signal alternatif. Ceci est intéressant car la réponse d'un ap- pareil électrique, ou d'un système de protection, re- lié au réseau électrique alternatif soumis à une im- pulsion de courant injectée par une impulsion électro- magnétique peut varier en fonction de l'instant d'ap- parition de cette impulsion de courant par rapport à la phase du signal du réseau. Le circuit de commande de déclenchement 34 permet de définir avec précision, et de manière reproductible, l'instant d'émission des impulsions de courant dans le réseau. Il rend ainsi possible un test très complet d'un appareil électrique soumis à une forte impulsion de courant. On va maintenant décrire, en référence a la figure 2, un mode de réalisation particulier d'un mo- dule 16. Sur cette figure, les références identiques à celles de la figure 1 désignent les mêmes -éléments. Les éléments du module sont disposés dans une enceinte métallique 17 reliée à la masse. La borne de commande C, la borne d'entrée E et la borne de sortie S sont réalisées par exemple par des fiches BNC traversant cette enceinte. Le condensateur de stockage d'énergie 22 est par exemple du type MAXWELL. Sa capa- cité est de 3pF. La résistance de charge 24 associée à ce condensateur a une valeur de quelques kiloohms. L'éclateur 26 est par exemple de type TH9076 de Thomson. Le transformateur 28 est un transformateur d'isolement classique. La résistance 30 constitue une adaptation d'impédance. Elle permet d'amener l'impédance consti- tuée par l'appareil à tester et cette résistance 30 à une valeur désirée en fonction du niveau de la haute tension reçue par la borne d'entrée E du module 16. Par exemple, si l'on désire que l'impulsion de courant délivrée sur la borne de sortie S ait une intensité de KA alors que la tension reçue sur la borne d'entrée E est de 10 KV, la résistance 30 devra être telle que l'impédance vue de la sortie de l'éclateur 26 soit de 1 ohm. Si l'appareil à tester est un système de protection comportant un écrêteur et un filtre comme indiqué plus haut, son impédance est de l'ordre de quelques dixièmes d'ohm. La résistance 30 a alors éga- lement une valeur de quelques dixièmes d'ohm. La résistance 30 d'adaptation d'impédance a été représentée sur la figure 2 à l'intérieur de l'en- ceinte 17. Elle pourrait également être disposée dans une enceinte isolée reliée à la borne de sortie S de l'enceinte 17. Cette dernière solution est préférable lorsque le générateur est utilisé pour tester le com- portement d'appareils électriques différents ne né- cessitant pas une même résistance d'adaptation d'impé- dance. Les caractéristiques électriques générales d'un module sont donc les suivantes: résistance: quelques dixièmes d'ohm, inductance: quelques dixièmes de microhenry capacité: quelques microfarads Le demandeur a réalisé un générateur d'im- pulsions de courant comportant trois modules conformes à celui représenté sur la figure 2. Les caractéristi- ques de ce générateur sont les suivantes: tension de charge des modules: 10 KV résistance (résistance 30 + résistance d'entrée de l'appareil à tester): 1 ohm, capacité: 3 pF, inductance: 0,5 pH. Ce générateur délivre pour chaque module une impulsion de courant d'intensité 10 KA ayant une lar- geur à mi-hauteur de 2ps. Cette impulsion réalise une bonne simulation d'une impulsion injectée par une for- te impulsion électromagnétique. Il faut noter en effet que si tous les paramètres d'une impulsion de courant produite par une impulsion électromagnétique ne sont pas satisfaits (le niveau de tension est par exemple de 10 KV au lieu de 300 KV), les paramètres caracté- ristiques de l'impulsion, qui déterminent le comporte- ment de l'appareil à tester, sont pour leur part re- produits par le générateur de l'invention. Le demandeur a utilisé ce générateur d'im- pulsions de courant pour tester un système de protec- tion constitué d'un écrêteur suivi d'un filtre passe- bas. L'écrêteur, de type parafoudre, est constitué d'un éclateur et d'une varistance. Le filtre passe-bas est un filtre LC qui peut être de type u ou de préfé- rence de type L. Une inductance complémentaire peut être disposée entre l'écrêteur et le filtre passe-bas. On a représenté sur la figure 3a l'impulsion de courant délivrée par chaque module du générateur de l'invention et sur la figure 3b la tension de sortie du filtre du système de protection. L'impulsion de courant est produite par la décharge d'un condensateur de 3 pF sur une résistance de 1 ohm. La tension de tl charge du condensateur délivrée par la source de ten- sion est de 10 KV. L'inductance parasite due à la li- gne de liaison entre le générateur et le système de protection - cette liaison pouvant être très courte (quelques centimètres) grâce au faible. encombrement du module -, ajoutée à l'inductance propre du générateur limite l'intensité de l'impulsion de courant déLivrée à 8 KV. Le rôle de l'écrêteur du système de protec- tion est de dériver le maximum de courant et/ou d'énergie vers la terre et d'amener le niveau de ten- sion de l'impulsion à une valeur minimale. Le filtre passe-bas situé en aval de cet écrêteur permet égale- ment d'écouler une fraction du courant et/ou de l'énergie non dérivée à L'écrêtage, mais permet égale- ment d'atténuer le niveau de tension de l'impulsion après l'écrêtage notamment dans la partie haute fré- quence du spectre de l'impulsion. La figure 3b illustre le signal de tension typique délivré par le système de protection. Cette tension a une forme sinusoldale amortie ayant une pseudo-période d'environ 220 ps. Les deux premiers pics ont respectivement pour intensité environ 150V et V. REVENDICATIONS 1. Générateur de fortes impulsions de cou- rant synchrones sur sorties parallèles, caractérisé en ce qu'il comprend un étage haute tension (2), un en- semble (4) de N modules identiques, o N est un en- tier, comprenant chacun un condensateur de stockage (22), et un moyen de commande de déclenchement (6), chaque module (16) étant muni d'une borne d'entrée (E), d'une borne de commande (C) et d'une borne de sortie (S), le condensateur de stockage de chaque mo- dule étant chargé par l'étage haute tension relié à la borne d'entrée et commandé par le moyen de commande de déclenchement reLié à la borne de commande, ledit-mo- dule délivrant une impulsion de courant sur la borne de sortie. 2. Générateur selon La revendication 1, ca- ractérisé en ce que chaque module (16) comprend un éclateur (26) entre le condensateur de stockage (22) et la borne de sortie (5), et un moyen de commande (28) de cet éclateur actionné par le moyen de commande de déclenchement (6). 3. Générateur selon ta revendication 2, ca- ractérisé-en ce que ledit moyen de commande (28) est un transformateur. 4. Générateurselon l'une quelconque des re- vendications 2 et 3, caractérisé en ce que le moyen de commande de déclenchement comprend un déctencheur (32) et un circuit de commande (34) dudit déclencheur, ledit déclencheur (32) comprenant deux éclateurs en cascade (42, 44) alimentés par l'étage haute tension (2) et commandé par ledit circuit de commande (34). 5. Générateur selon la revendication 4, pour délivrer des impulsions de courant sur un réseau al- ternatif, monophasé ou polyphasé, caractérisé en ce que le circuit de commande (34) commande le déclen- cheur (32) en fonction de la phase d'un signal dudit réseau. 6. Générateur selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 5, caractérisé en ce que les liaisons entre l'étage haute tension (2) et les bornes d'entrée (E) des modules, d'une part, et les liaisons entre le moyen de commande de déclenchement (6) et les bornes de commande (C) des modules, d'autre part, sont des liaisons coaxiales (18, 20).