Brevet FR2588145A1 — publié le 19870403

DISPOSITIF D'ANTI-SOUFFLAGE DE L'ARC DANS UNEE OORCHE A PLASMA L'invention concerne les torches à plasma et plus particulièrement un dispositif d'anti-soufflage de l'arc dans une torche à plasma de puissance en transfert de chaleur. On sait que l'arc, dans une torche à plasma, présente une caractéris- tique tension-courant négative, ce qui signifie que lorsque l'inten- sité du courant diminue, la tension de l'arc croit. Cette particularité rend l'arc instable; le système d'alimentation et de contrôle doit en assurer la stabilisation. Or, ccmme la puissance appliquée à une torche à plasma est essentiel- lement obtenue à partir d'un redresseur, par exemple à thyristors, connecté au réseau d'alimentation, la valeur de la tension d'arc est limitée supérieurement par les possiblités en tension de la source d'alimentation. Il n'y a plus stabilisation de l'arc dès lors que la tension d'arc approche de la tension limite de la source. 1s Or, on sait réaliser une boucle d'asservissement en courant. Le bre- vet français 1 375 853 décrit par exemple un dispositif de contrôle du gradient de courant d'induit pour gros moteur à courant continu, comprenant une boucle de linéarisation à action rapide et une boucle intégrale périphérique à action plus lente. Puisqu'une torche à plasma présente des caractéristiques essentiellement variables, équi- valentes à celles d'un moteur à courant continu, en régime discon- tinu, on peut mettre en oeuvre facilement une telle boucle d'asser- vissement en courant. Cet asservissement ne permet pas cependant de 2588 145 contrôler de façon précise et rapide la tension d'arc qui varie en fonction de nombreux paramètres tels que la contrepression dans la torche, l'évolution du courant dans la bobine de champ de la torche ou l'usure des électrodes. La présente invention a donc pour but d'obvier à ces inconvénients et éviter tout soufflage de l'arc lors de perturbations transitoires. A cet effet, il y a lieu, dés que l'on détecte que la tension de l'arc dépasse un seuil déterminé, de faire croître momentanément le courant d'arc pour déplacer instantanément le point de fonctionnement et réduire rapidement la tension de l'arc. Dans un deuxième temps, on pourra éventuellement, diminuer le débit du gaz plasmogène, de manière à également faire baisser la tension de l'arc. En d'autres mots, le dispositif d'anti-soufflage de l'arc dans une torche à plasma selon l'invention permet de modifier momentanément la position du point de fonctionnement en courant et en tension de l'arc en agissant, en fonction de la tension de l'arc, sur la référence de courant appliquée à une boucle d'asservissement en courant de l'arc. Selon l'invention, le dispositif d'anti-soufflage comprend un détec- teur de seuil émettant un signal destiné à faire croître immédiate- ment l'intensité du courant de référence appliqué à ladite boucle d'asservissement en courant dès lors que la tension d'arc est supé- rieure à une valeur déterminée, et, en série avec ce détecteur de --seuil,- un amplificateur dont le gain chute progressivement, en fonc- tion du temps écoulé à partir de l'émission du signal par le détec- teur de seuil, de manière à atténuer progressivement ce signal et à ramener petit à petit l'intensité du courant de référence à sa valeur nominale. De préférence, le dispositif d'anti-soufflage selon l'invention, comprend en outre un intégrateur unidirectionnel dont une borne d'en- trée est connectée à la sortie de l'amplificateur précité et dont la borne de sortie commande la valve d'injection du gaz plasmagène dans la torche, de telle manière qu'il résulte d'un signal issu de l'amplificateur, une réduction proportionnelle à l'amplitude de ce signal, du débit du gaz.plasmagène dans la torche. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, avantages et caractéristiques de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit d'un mode de réalisation de l'invention, donnée à titre non limitatif, à laquelle est jointe une planche de dessin. La Figure unique représente schématiquement un dispositif d'anti- soufflage conforme à la présente invention avec une boucle conven- tionnelle d'asservissement en courant de l'arc. En référence à cette figure, une torche à plasma 1 est constituée par une électrode aval et une tuyère 2 d'évacuation des gaz chauds, géné- ralement mise à la terre, un conduit 3 d'arrivée du gaz plasmagène pourvu d'une électrovalve 4 de réglage du débit de ce gaz, une élec- trode amont, des bobines de champ 5. L'ensemble est destiné à gérer un arc électrique entre l'électrode amont de la torche o sont disposées les bobines 5 et l'électrode aval. Cet arc est traversé par le gaz plasmagène. La torche est alimentée en courant continu au moyen d'un redresseur représenté schématiquement sous la référence 6 et connecté au réseau 8 d'alimentation alternatif. Un tel redresseur peut, par exemple, être du type dodécaphasé série, à thyristors et diodes, ccmuandé au moyen d'impulsions engendrées par le circuit de commande 7. Au moyen d'un transformateur de courant 9, on réalise une boucle d'asservisse- ment en courant de façon conventionnelle. En effet, l'arc électrique dans la torche agit c.mme la réaction positive d'un amplificateur et accentue toute évolution du courant. Ainsi, on peut par exemple met- tre en oeuvre une boucle rapide agissant au moyen d'un premier ccmpa- rateur 10 sur la référence de courant RI et d'un amplificateur 11 à gain variable engendrant une tension de commande appliquée au cir- cuit de ccmmande 7. A cette boucle rapide, on adjoint une boucle plus lente au moyen d'un deuxième comparateur 12 auquel est appliquée une référence de courant IR et délivrant un signal qui est d'abord appliqué à un circuit de calibrage 13 puis à un intégrateur 14 pour délivrer le signal de référence IR, appliqué au premier compara- teur 10. Les circuits précités étant bien connus de l'Homme de l'Art et ne faisant pas partie de l'invention, ils ne seront pas décrits ici. 0 Comme indiqué précédemment, lorsque la tension de l'arc électrique dans la torche croit dangereusement, il est nécessaire de modifier momentanément la position du point de fonctionnement de l'arc pour éviter le soufflage de ce dernier. Dans ce but, le dispositif selon l'invention comprend tout d'abord un détecteur de seuil 15 à l'une des entrées duquel est appliqué un signal Ec correspondant à la tension d'arc. Ce signal est, dans l'exemple représenté, prélevé à la sortie de l'amplificateur 11, puisque l'on connaît la tension d'arc limite admissible dès lors que l'on oonnaît la marge disponible sur la tension de commande du redresseur contrôlé. i l'autre entrée du détecteur de seuil 15, est appliquée une référence de tension Er correspondant au seuil, au- dessus duquel le dispositif d'anti-soufflage doit agir. Ce détecteur de seuil 15 délivre un signal dès lors que la tension Ec est supé- rieure à la tension de référence Er. Ce signal est appliqué à un amplificateur 16 dont le gain chute progressivement en fonction du temps écoulé à partir de l'émission de ce signal. Cet amplificateur 16 a un rôle essentiel: il permet de modifier immédiatement la réfé- rence de courant du circuit d'asservissement puisque le signal est appliqué au deuxième comparateur 12, puis de ramener progressivement cette référence de courant à sa valeur nominale IR en réduisant progressivemennt le signal de correction appliqué au ccumparateur 12. 258 8 145 Bien évidemment, le détecteur de seuil 15 et l'amplificateur 16 peu- vent être réalisés de plusieurs façons différentes, l'important étant que le signal de correction ait une amplitude s'atténuant dans le temps. On peut donc envisager que le détecteur de seuil 15 émette une simple impulsion et que l'amplificateur 16 comporte un circuit d'entrée résistances condensateur unidirectionnel, dissymétrique dont le condensateur se charge rapidement sur une polarité par cette impulsion et se décharge plus lentement à la disparition de celle-ci. L'Homme de l'Art trouvera, sans sortir de l'invention, d'autres solu- tions techniques pour assurer l'atténuation du signal de correction appliqué au comparateur 12 pour modifier d'abord brusquement la valeur de référence de courant appliquée au circuit d'asservissement, puis ramener progressivement cette valeur à la valeur nominale. Comme indiqué précédemment, on préfère en outre faire baisser la tension d'arc en réduisant le débit du gaz plasmagène injecté dans la torche 1 en manoeuvrant la valve représentée schématiquement sous la référence 4. De la mime manière que précédemment, cette réduction du débit doit être momentanée, mais suffisante, pour éviter le soufflage de l'arc, étant entendu que le point nominal de fonctionnement de l'arc doit ultérieurement être retrouvé. Dans ce but, on utilise encore le signal de correction issu de l'amplificateur 16, et dont l'amplitude décroît en fonction du temps écoulé à partir de l'émission du signal émis par le détecteur de seuil 15. Ce signal de correction est appliqué à un intégrateur uni- directionnel 17 dont la borne de sortie commande la valve d'injection 4 du gaz plasmagène. Bien évidemment, on applique également à cet intégrateur 17 un signal de référence VR pour permettre au signal de sortie de l'intégrateur 17 de retrouver progressivement sa valeur nominale lorsque l'amplitude du signal de correction diminue, ce qui permet à la valve 4 de revenir progressivement à sa position d'ori- gine. On constate donc que le dispositif d'anti-soufflage selon l'invention permet de modifier très rapidement la position du point de fonctionnement de l'arc électrique dans la torche dès lors que la tension d'arc monte à une valeur dangereuse proche de la tension limite d'alimentation et que l'arc va être soufflé, en augmentant immédiatement le courant d'arc, donc en diminuant la tension d'arc. Cette modification rapide, qui est en fait une correction, est ensuite progressivement annulée, de telle manière que le point de fonctionnement de l'arc revienne progressivement à sa position nomi- nale déterminée pour optimiser le fonctionnement électrique de la torche. De plus, une réduction du débit de gaz plasmagène temporaire est mise en oeuvre tant que subsistent des signaux de correction issus de l'amplificateur 16. Bien que seul un mode de réalisation de l'invention ait été décrit, il est évident que toute modification apportée par l'Hcome de l'Art dans le même esprit, ne sortirait pas du cadre de la présente inven- tion. Il est notamment possible, comme on l'a vu précédemment, de réaliser les fonctions du détecteur de seuil 15 et de l'amplificateur 16 par d'autres moyens que ceux qui ont été décrits, l'importance résidant dans la décroissance du signal de correction émis, de manière à ce que le système revienne à son point de fonctionnement optimal. 258 8 145 REVEDICATIONS 1 - Dispositif d'anti-soufflage de l'arc dans une torche à plasma (1), permettant de modifier momentanément la position du point de fonc- tionnement en courant et en tension dudit arc en agissant, en fonc- tion de la tension de l'arc, sur la référence de courant appliquée à une boucle d'asservissement en courant dudit arc, caractérisé en ce qu'il ccmprend un détecteur de seuil (15) eémettant un signal destiné à faire croitre immédiatement l'intensité du courant de référence appliqué à ladite boucle, dès lors qua ladite tension d'arc est supé- rieure à une valeur déterminée, et, en série avec ledit détecteur de seuil (15), un amplificateur (16) dont le gain chute progressivement en fonction du temps écoulé à partir de l'émission dudit signal, de manière à atténuer progressivement ce dernier et à ramener petit à petit l'intensité du courant de référence à sa valeur nominale. 2 - Dispositif d'anti-soufflage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre, un intégrateur unidirectionnel (17) dont une borne d'entrée est connectée à la sortie dudit amplificateur (16) et dont la borne de sortie commuande la valve (4) d'injection du gaz plasmagène dans ladite torche (1), de telle manière qu'il résulte d'un signal issu dudit amplificateur (16) une réduction du débit dudit gaz dans ladite torche (1) proportionnelle à l'amplitude dudit signal.